автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров систем разгрузки головных канатов при реконструкции шахтных подъемных установок

На правах рукописи

0050»'«'"

Махоткин Александр Михайлович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ РАЗГРУЗКИ ГОЛОВНЫХ КАНАТОВ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

і Я ДПР го;з

Москва-2013

005057675

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Горная механика и транспорт» (ГМТ МГГУ)

Научный руководитель: Галкин Владимир Иванович, доктор технических

наук, профессор, заведующий кафедрой «Горная механика и транспорт» Московского государственного горного университета

Официальные оппоненты: Балабышко Александр Михайлович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологии и управления имени К.Г. Разумовского» Трифанов Геннадий Дмитриевич, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» (г. Екатеринбург)

Защита состоится 28 марта 2013 г в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.09, созданного на базе Московского государственного горного университета по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 6, E-mail: ud@msmu.ru

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета. Автореферат разослан февраля 2013 г. -

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, профессор ~ Е.Е. Шешко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Переход к разработке месторождений полезных ископаемых глубокого залегания является одним из направлений развития горнодобывающей отрасли промышленности. В связи с этим важное значение приобретает обеспечение эффективного подъема шахтных грузов с глубоких добычных горизонтов. При проектировании шахт на вновь вводимых месторождениях глубокого залегания в настоящее время это однозначно решается путем использования многоканатных подъемных установок со шкивами трения.

Анализ современного состояния шахтного подъема на отечественных горных предприятиях показывает, что около 90% от общего числа задействованных подъемных установок являются одноканатными с барабанным приводом, параметры которых в отношении высоты подъема и грузоподъемности ограничены. Замена барабанных подъемных машин многоканатными шкивами трения или двухканатным барабанным приводом системы Блейера приводит в большинстве случаев к существенной реконструкции не только оборудования подъемной системы, но в значительной мере и оборудования стационарного стволового комплекса. Аналогичные проблемы возникают при решении задачи увеличения производительности и грузоподъемности указанных установок.

Вместе с тем возможен способ переоснащения шахтного подъема при переходе к обслуживанию глубоких горизонтов или увеличении грузоподъемности за счет использования систем разгрузки головных канатов с некоторой адаптацией задействованного одноканатного барабанного привода. Такие системы разгрузки известны в основном в виде схемных решений, недостатки конструктивного исполнения которых, а также отсутствие обоснованных научных методик определения их параметров сдерживают их реализацию в промышленных масштабах.

Таким образом, обоснование параметров систем разгрузки головных канатов при реконструкции шахтных подъемных установок является актуальной научной задачей.

Цель работы состоит в обосновании основных параметров систем разгрузки головных канатов, обеспечивающих увеличение высоты подъема и грузоподъемности шахтных подъемных установок с одноканатным барабанным приводом.

Идея работы состоит в передаче разгружающего усилия концевому грузу через подвесной шкив с дифференциальным противовесом, что обеспечивает максимальную степень разгрузки головных канатов, независимо от высоты подъема и режимов пуска подъемной системы.

Научные положения, выносимые на защиту:

• динамическая модель систем разгрузки головных канатов, позволяющая оценить их максимальную разгружающую способность с учетом режимов пуска подъемных установок;

• метод обеспечения динамической устойчивости систем разгрузки головных канатов с подвесным разгружающим шкивом в процессе пуска подъемных установок путем использования дифференциальных противовесов в системе подвески;

• аналитические выражения для определения основных параметров систем разгрузки головных канатов с подвесным разгружающим шкивом и дифференциальным противовесом;

• методология и аналитические выражения для оценки эффективности использования систем разгрузки головных канатов при реконструкции шахтных подъемных установок с барабанным приводом.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена теоретическими исследованиями с использованием методов классической механики, математического моделирования и анализа, корректностью принятых допущений, экспериментальными, исследованиями на лабораторной и полупромышленной моделях, использованием апробированных методов обработки экспериментальных данных и статистического материала. Среднеквадратичное отклонение фактических данных от расчетных значений определяемых параметров не превышает 7-10%.

Научная новизна диссертационной работы заключается:

• в определении аналитических зависимостей, позволяющих оценить эффективность систем разгрузки головных канатов различного конструктивного исполнения в зависимости от полной глубины шахтного ствола и режима пуска подъемной установки;

• в обосновании конструктивной схемы системы разгрузки головных канатов, в которой для формирования разгружающих усилий используется подвесной разгружающий шкив с дифференциальным противовесом;

• в установлении аналитических выражений для расчета основных параметров систем разгрузки головных канатов с подвесным разгружающим шкивом и дифференциальным противовесом;

• в разработке методологии и аналитических выражений для оценки эффективности использования систем разгрузки головных канатов при реконструкции шахтных подъемных установок с барабанным приводом.

Научное значение диссертации состоит в разработке принципов динамического анализа систем разгрузки головных канатов шахтных подъемных установок с барабанным приводом, позволяющих на их основе определить необходимые параметры составных элементов систем разгрузки.

Практическое значение выполненных исследований заключается в разработке конструктивной схемы и методики расчета параметров систем разгрузки головных канатов с подвесным разгружающим шкивом и дифференциальным противовесом, реализация которых является необходимой базой для их внедрения при реконструкции шахтных подъемных установок с целью увеличения высоты подъема и грузоподъемности.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Конструктивная схема и методика расчета основных параметров явились основой для разработки полупромышленной модели грузового подъемника с разгрузочно-ловитель-ным устройством, реализованного НТП «Подъеммехмаш» при участии автора диссертации. Методика расчета подъемных установок с системой разгрузки головных канатов используется в учебном процессе МГГУ при курсовом и дипломном проектировании. На конструкции подъемных установок с сис-

3

темами разгрузки головных канатов получены два патента РФ, на одну заявку имеется решение ФИПС о выдаче патента на изобретение.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на международных научно-технических симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2010-2012 гг.), на VIII горнопромышленном форуме «МАЙНЕКС Россия 2012», полупромышленная модель грузового подъемника с разгрузочно-ловительным устройством экспонировалась на V международной выставке лифтов и подъемных механизмов «ЛИФТ ЭКСПО РОССИЯ» (Москва, ВВЦ, 15-17 июня 2011 г.).

Публикации. Результаты выполненных исследований освещены в семи публикациях, в том числе в четырех статьях, опубликованных в изданиях, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа представлена на 156 страницах основного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, содержит список использованных источников из 123 наименований и включает 52 рисунка и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности работы и ее цели, сформулированы идея и научные положения, выносимые на защиту, дана оценка научной и практической значимости работы, а также ее реализации.

В первой главе приведены результаты исследования состояния вопроса, сформулированы задачи и обоснованы методы исследований.

Ведущая роль в разработке теоретических основ современных канатных подъемных установок принадлежит академикам Федорову М.М. и Герману А.П., являющимся основоположниками отечественной научной школы горной механики. Весомый вклад в развитие теории и практики шахтного подъема внесли исследования Ильичева A.C., Еланчика Г.М., Уманского В.Б., Шклярского Ф.Н., Макарова B.C., Киселева В.И., Нестерова Н.П., Давыдова Б.Л„ Тулина B.C., Траубе Е.С., Белого В.Д., Федоровой З.М., Степанова А.Г., Трифанова Г.Д., Попова Ю.В. и ряда других ученых.

4

Использованию систем разгрузки головных канатов для увеличения грузоподъемности и высоты подъема шахтных подъемных установок с барабанным приводом посвящено большое число публикаций, среди которых наиболее значимыми являются известные монографии Г.М. Еланчика «Уравновешенные системы рудничного подъема» и В.И. Киселева «Подъемные установки для глубоких шахт». Интерес к данной проблематике в последние годы существенно повысился, о чем свидетельствует возросшее число зарегистрированных патентов. Возросший интерес к проблеме разгрузки тяговых канатов от собственного веса элементов подъемной системы отмечается и в смежной с шахтным подъемом технической отрасли — лифтах и грузовых подъемниках строительного и общепромышленного назначения.

Анализ конструктивных решений систем разгрузки головных канатов подъемных установок по патентам и публикациям, а также исследований в этой области знаний позволил сформулировать следующие выводы:

• преобладающая часть предложенных конструктивных решений систем разгрузки оказывается неработоспособной из-за отсутствия в них устройств, компенсирующих неравномерность вытяжки головных и разгружающих канатов в процессе эксплуатации подъемной системы;

• технические решения систем разгрузки, практическая реализация которых в принципе возможна, имеют один общий недостаток — снижение разгружающих усилий, а следовательно, и эффективности использования систем разгрузки по мере увеличения высоты подъема (глубины шахты);

• известные рекомендации по определению параметров систем разгрузки базируются на статическом анализе подъемной системы без учета динамических нагрузок пуска-останова, что неправомерно, и это доказывается в диссертационной работе.

С учетом отмеченного выше в диссертационной работе предложены новые технические решения систем разгрузки головных канатов шахтных подъемных установок (рис. 1), которые, на наш взгляд, лишены упомянутых выше недостатков, а разработка методики их расчета должна создать необходимую базу для промышленной реализации.

5

нш

Схема а на рис. 1 предназначена для двухсосудного шахтного подъема, а схема б — для однососудного подъема с проти-

ВариантА ВОВеСОМ.

РШ 1 '.......

Обозначения на рис. 1: ПМ— подъемная машина; НШ — шкивы направляющие; ГК — головные (тяговые) канаты; ПС — подъемные сосуды; Пр — уравновешивающий противовес однососудной

Рис. 1. Предлагаемые схемы реализации установки; ХК—хвостовой канат; РШ— систем разгрузки головных канатов „ '

шахтных подъемных установок разгружающий шкив; РК — разгружающие канаты; УК— удерживающие канаты системы подвески разгружающего шкива; УШ — удерживающий (опорный) шкив системы подвески; УПр — удерживающий (разгружающий) противовес системы подвески разгружающего шкива.

Как видно из рис. 1, при двухсосудном подъеме (схема а) необходимые разгружающие усилия в прицепном устройстве подъемных сосудов создаются противовесом УПр через удерживающие канаты УК, на которых подвешен разгружающий шкив РШ с разгружающими канатами РК. При однососудном подъеме (схема б) возможны два варианта реализации системы разгрузки: при первом варианте разгружающие усилия создаются пружинами, на которые опирается основание (рама) разгружающего шкива; второй вариант реализуется по аналогии со схемой б.

Возможность автоматического перемещения разгружающего шкива с противовесом обеспечивает компенсацию неравномерности вытяжки головных и разгружающих канатов в процессе эксплуатации, а также реализацию максимальных разгружающих усилий при соответствующем выборе параметров разгружающего противовеса.

Для достижения сформулированной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

• произвести динамический анализ известных и предлагаемых автором диссертации систем разгрузки головных канатов для оценки их разгружающей способности с учетом режимов пуска подъемной системы;

• оценить массивность составных элементов, входящих в систему разгрузки головных канатов, используя методы статистического анализа;

• выполнить экспериментальные исследования режимов пуска на лабораторной модели подъемной установки, оснащенной системой разгрузки головных канатов с подвесным разгружающим шкивом;

• провести испытания полупромышленной модели грузового подъемника с разгрузочно-ловительным устройством, разработанным при участии автора диссертации;

• разработать методику определения рациональных параметров систем разгрузки головных канатов с подвесным разгружающим шкивом и дифференциальным противовесом;

• произвести оценку эффективности использования систем разгрузки головных канатов для реализации одноканатного подъема с барабанным приводом при переходе к обслуживанию глубоких добычных горизонтов.

Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались следующие методы научного анализа: теоретический анализ систем разгрузки с разработкой динамической модели на основе методов классической механики, а также метода обхода по контуру динамической модели при анализе ее устойчивости; методы статистического анализа информационного материала по массивности элементов системы разгрузки; обобщенный анализ экспериментов на лабораторной модели подъемной установки с использованием основных положений теории подобия.

Во второй главе на основе теоретического анализа решалась задача обоснования максимальной степени разгрузки головных канатов с учетом режимов пуска подъемной установки применительно к различным вариантам конструктивных схем систем разгрузки.

Доля концевого груза, передаваемого системе разгрузки, теоретически и реально не может превышать собственный вес подъемного сосуда. Поэтому

7

под степенью разгрузки тяговых канатов будем понимать параметр, измеряемый отношением усилия воспринимаемого системой разгрузки, к собственному весу подъемного сосуда: /.• /г

где <2с и 2гр — собственная масса подъемного сосуда и его грузоподъемность, а рс = QJQГp — относительная массивность подъемного сосуда.

Основными факторами, определяющими конструктивную схему разгрузочной системы и, соответственно, степень разгрузки тяговых (головных) канатов, являются способ передачи разгружающего усилия подъемному сосуду, тип силового элемента, а также параметры разгружающих и хвостовых канатов. Многообразие конструкций систем разгрузки тяговых канатов, обзор которых выполнен в главе 1, по способу передачи разгружающего усилия подъемному сосуду можно подразделить на три группы:

1. Системы разгрузки с индивидуальными разгружающими элементами, воздействующими на подъемный сосуд.

2. Системы разгрузки с групповым разгружающим элементом, воздействующим одновременно на два подъемных сосуда или на подъемный сосуд и противовес.

3. Системы разгрузки с передачей разгружающего усилия через подвижный (подвесной) разгружающий шкив.

Силовым элементом в первых двух группах разгрузочных систем является противовес или тяжелый хвостовой канат, в третьей группе — противовес или пружина (силовой гидравлический цилиндр).

Как показывает статический анализ, применение тяжелого хвостового каната в качестве силового элемента системы разгрузки существенно ограничивает область применения последних в отношении глубины шахт (высоты подъема). Ограничивающим фактором выступает опасность перетягивания порожнего сосуда тяжелым хвостовым канатом. По этой же причине исключается возможность использования равновесных уравновешивающих канатов для установок с системами разгрузки, силовыми элементами которых явля-

ются массивные противовесы. Для указанных систем линейные массы (массы 1 погонного метра) хвостового и разгружающих канатов должны быть одинаковы (рм = ррк), что обеспечивает при прочих равных условиях максимальную степень разгрузки головных канатов, независимо от высоты подъема. Число разгружающих канатов должно быть четным с использованием балансирного прицепного устройства, обеспечивающего центральное приложение тяговых и разгружающих усилий к подъемному сосуду. Оптимальным вариантом является использование пары разгружающих канатов. Увеличение количества разгружающих канатов повышает их стоимость.

Инерционные нагрузки, возникающие при пуске подъемной установки и существенно влияющие на эффективность использования системы разгрузки головных канатов, зависят от массивности входящих в нее элементов и, в первую очередь, от массивности используемых подъемных сосудов.

Статистический анализ данных, приведенных в справочной литературе, а также в каталогах заводов-производителей, позволил установить общий вид эмпирической зависимости относительной массивности рс подъемных сосудов от их грузоподъемности:

Рс (2)

где А и — эмпирические константы, аС?,? — грузоподъемность, т.

Численные значения констант Аид, которые были определены с использованием метода наименьших квадратов, зависят от типа подъемных сосудов. Для шахтных одноэтажных и двухэтажных неопрокидных клетей од-ноканатных и многоканатных установок — А = 1,051 и д = -0,21. Для шахтных неопрокидных скипов значение указанных констант существенно зависит от их назначения по горной массе (угольные или породные) и по типу подъемной установки (одноканатная или многоканатная). Формула (2), обобщающая все указанные типы неопрокидных скипов, имеет следующие значения констант: А = 1,595 и ^ = -0,193.

Эмпирическая зависимость приведенной к навивочной поверхности массы разгружающих шкивов от их диаметра имеет следующий вид:

™ыш =Лг£>шк,кг, (3)

где Дик — диаметр шкива (м), а численное значение константы Ах зависит от числа канатов, для которых шкив является направляющим и составляет 128, 335, 835 и 1390 соответственно для одноканатных, двухканатных, четырех-канатных и шестиканатных шкивов.

Теоретический анализ систем разгрузки головных канатов выполнен на основе одномассовой динамической модели, представляющей уравнение динамического равновесия системы разгрузки, составленного методом обхода по контуру разгружающих канатов при пуске подъемной установки с опускающимся порожним сосудом или противовесом. В результате решения уравнений динамического равновесия применительно к трем группам систем разгрузки были получены формулы для определения степени разгрузки головных канатов с учетом величины пускового ускорения:

• для систем разгрузки с индивидуальными массивными разгружающими противовесами

ф =_

р^г^я+^+ц+р.у

• для систем разгрузки с групповыми разгружающими противовесами

Рс(2а1кпН + За1кмш+8)'

• для систем разгрузки с подвесным разгружающим шкивом

РсСг-^-О? (6)

Параметры, входящие в формулы (4)—(6), обозначают следующее: к'оп— грузовой коэффициент, учитывающий силы трения в системе разгрузки и на опускающейся ветви головного каната; а, — пусковое ускорение подъемной установки, м/с2; рс — относительная массивность подъемных сосудов; Н— полная высота подъема, м; крК = gpam' /ав — постоянная величина для канатов заданного типа и заданной маркировочной группы; кмш — коэффициент, отображающий относительную массивность шкивов.

В диссертационной работе выполнен численный анализ зависимостей (4)—(6) применительно к среднему значению рс = 1. Результаты такого анализа для системы разгрузки с подвесным разгружающим шкивом, допускающей при прочих равных условиях наибольшую степень разгрузки фр головных канатов, представлены на рис. 2. При этом в качестве разгружающих были приняты канаты типа ТЛК-0 по ГОСТ 3079-80 маркировочной группы 1860 МПа с условной плотностью р0 = 9500 кг/м3 и временным сопротивлением разрыву соответственно ав = 18,6-108 Па.

При запасе прочности каната по концевой статической нагрузке т' для шахтных людских, грузолюдских и грузовых подъемных установок 13, 10 и 8,5 численное значение &рК составляет соответственно 6,5М0"4, 5,01'10"4 и 4,26'Ю"4 м-1. Численное значение коэффициента относительной массивности шкивов кыш также зависит от типа подъемной установки и для системы разгрузки с двумя разгружающими канатами указанного выше типа составляет: людские установки — 9,36-Ю"2; грузолюдские — 7,18'Ю"2; грузовые — 6,12- Ю-2.

Как видно из рис. 2, степень разгрузки головных канатов при пуске подъемной установки существенно снижается с увеличением высоты подъема (глубины шахтного ствола), что связано с соответствующим увеличением массивности разгружающих и хвостовых канатов.

Рис. 2. Зависимость степени разгрузки фр от высоты подъема Н для людских (а), грузолюдских (б) и грузовых (в) подъемных установок: 1, 2, 3, 4 и 5 — при ускорениях а\ соответственно 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 и 1,5 м/с2

При использовании подвесного разгружающего шкива в системах разгрузки однососудных установок с уравновешивающим противовесом (см. рис. 1, б) величина разгружающего усилия должна задаваться по режиму спуска уравновешивающего противовеса. Если масса уравновешивающего противовеса равна массе сосуда и половине его грузоподъемности, что считается оптимальным, то в этом случае относительная степень разгрузки при пуске подъемной установки будет определяться по формуле Рс+0,5 В-а1~Ек,оа/фе+0,5)

Рс

ФР

(7)

£ + а\ (2Лрк Н + кмш)

Представленные на рис. 3 результаты численного анализа срр в соответствии с формулой (7) при среднем значении рс = 1 свидетельствуют о том,

что определение разгружающего усилия по режиму спуска противо-

1,35

1 ч

|1,2 £1,15

а:-

С: * *

¡й >

^ 1,05

веса позволяет разгрузить тяговый канат полностью от собственного веса подъемного сосуда и частично

500 730 1000 1 25Я 1500 1750 2000 2250 ОТ веса размещенного В Нем Груза, высота подъема, м

Рис.3. Зависимость степени разгрузки фр от вы- ПРИ этом режим спуска порожнего

соты подъема Я: ] и 2 — для людских, 3 и 4 — „

, , сосуда с одновременным подъемом

для грузолюдских подъемных установок; 1 и 3 ■' «г «

— при а, =0,5 м/с2; 2 и 4 — при о, = 0,75 м/с2 уравновешивающего Противовеса

должен обеспечиваться за счет использования дифференциального противовеса в системе подвески разгружающего шкива, в котором одна или несколько подвижных секций имеют возможность осаживаться на стационарный упор при незначительной подвижке противовеса вниз.

Использование дифференциального противовеса в системе подвески разгружающего шкива является наиболее надежным методом обеспечения динамической устойчивости системы разгрузки — способности восстанавливать максимальные разгружающие усилия (фр = 0,9-^0,95) по завершении периода пуска и при переходе к равномерному движению подъемной системы.

Теоретический анализ показал, что при начальном статическом равновесии системы разгрузки во время пуска подъемной установки с ускорением

12

Д] разгружающий шкив приобретает некоторое ускорение ашк, направленное в сторону удерживающего противовеса. В идеальном случае ашк = 0,5at при невесомых разгружающих канатах и шкивах, а также при рс = 1. В реальной системе разгрузки численное значение ашк зависит от величины сил трения в аппаратах подвески шкива, а также от соотношения между суммарной массой элементов разгрузочной системы и массой поднимаемого груза, уменьшаясь по мере увеличения указанного соотношения.

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования системы разгрузки головных канатов на лабораторной модели шахтной подъемной установки, а также испытаний полупромышленной модели грузового подъемника с разгрузочно-ловительным устройством.

Основные элементы лабораторной модели (рис. 4) смонтированы на несущем копре 2, изготовленном из алюминиевых уголков и закрепленном на массивной стальной опорной плите 1. На копре смонтирована двухэтажная подшкивная площадка 3, на которой установлены направляющие шкивы 9 тяговых канатов 8, а также опорные шкивы 12 системы подвески комплекта разгружающих шкивов 11 с противовесом 13. Передняя поверхность мачты облицована направляющим планшетом 4 из органического стекла, на котором закреплены три вертикальных проводника для подъемных сосудов 10, а также два направляющих проводника для комплекта разгружающих шкивов. Такой же направляющий планшет с двумя вертикальными проводниками для удерживающего противовеса системы подвески разгружающего шкива закреплен на тыльной стороне мачты в верхней ее части. Лабораторная модель оснащена грузовым приводом, состоящим из приводного барабана 5, на консоли вала которого установлен канатоведущий шкив 6 привода с

13

Рис. 4. Лабораторная модель

подъемной установки с системой разгрузки тяговых канатов

закрепленным на его поверхности канатом, присоединенным к приводному грузу 7. Два головных (тяговых) каната 8 закреплены своими концами у правой и левой реборд приводного барабана 5, огибают направляющие шкивы 9 и вторыми своими концами присоединены к правому и левому подъемным сосудам 10. Два разгружающих каната 14 присоединены своими концами к балансирным подвесным устройствам 15 соответственно правого и левого подъемных сосудов. На лицевой поверхности канатоведущего шкива 6 по периферии его окружности нанесены деления через 1 градус. На опорной раме приводного барабана закреплен планшет 16 с нанесенной на нем стрелкой. Лабораторная модель имеет в своем составе тормозное устройство, посредством которого подъемная система фиксировалась в статическом положении в период подготовки к очередному эксперименту.

Полная высота подъема сосудов составляла 2,4 м, масса порожнего и груженого сосудов равна соответственно 500 и 1000 г, масса комплекта разгружающих шкивов — 493 г.

На лабораторной модели подъемной установки были выполнены четыре серии экспериментов. В экспериментах первых двух серий решалась задача определения предельной массы разгружающего противовеса, при которой противовес и комплект разгружающих шкивов остаются неподвижными при различных режимах пуска подъемной установки. Масса разгружающего противовеса задавалась таким образом, чтобы обеспечить последовательное изменение относительной степени разгрузки фр тяговых канатов — 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 и 1,0. Величина пускового ускорения, характеризующая режим пуска подъемной системы, задавалась соответствующей массой приводного груза, которая изменялась от 858 до 1300 г с интервалом в среднем около 40 г. Для контроля за поведением противовеса и комплекта шкивов использовалась видеокамера марки Casio Exilim Pro EX-F1, которая позволяет производить регистрацию с частотой 300, 600 и 1200 кадров в секунду.

Просмотр видеоматериала скоростной съемки по первым двум сериям экспериментов показал, что при всех режимах пуска подъемной системы разгружающий противовес в исследованном интервале изменения его массы со-

14

храняет неподвижное положение. Разгружающие шкивы при исследованных режимах пуска также практически сохраняют неподвижное положение; наблюдались колебания низкой частоты с амплитудой до 1,2 мм в конце периода пуска при больших массах приводного груза и предельной массе разгружающего противовеса, соответствующей срр = 1.

Отмеченные выше колебания комплекта разгружающих шкивов, по-видимому, связаны с малой жесткостью тяговых и разгружающих канатов, а также канатов системы подвески обоймы шкивов. В целом по результатам двух первых серий экспериментов может быть сделан вывод о достаточной динамической устойчивости системы разгрузки тяговых канатов в отношении реализованных пусковых режимов подъемной системы. В связи с этим эксперименты третьей и четвертой серий, связанные с исследованием пусковых режимов подъемной установки при наличии системы разгрузки тяговых канатов и без нее, проводились при постоянной массе разгружающего противовеса, соответствующей относительной степени разгрузки фр = 0,95.

На рис. 5 в качестве примера

результаты обработки | 02

Я А»

экспериментов третьей и четвертой серий в виде диаграмм изменения скорости и ускорений подъемной системы в процессе ее пуска при относительно небольшой массе приводного груза.

представлены | |5

1 г —

: S» - ■м чл s-

-у fr j

f Е n

/ i

/ i fi 1

— — —

г*

j

t JL.,

о 1 2 3 А I,в О 0.5 1 1,8 2 2,5 3 /,:с

Рис. 5. Диаграммы скоростей и ускорений подъемной системы при массе приводного груза 858 (а) и 880 г (б)

Из представленных диаграмм видно, что в рассматриваемых случаях прослеживаются два режима движения подъемной системы: разгон с некоторым средним ускорением (область 1 диаграммы); движение с постоянной скоростью (область 2). С увеличением массы приводного груза режим движения с примерно постоянной скоростью исчезает, что связано с ограничен-

15

ной высотой подъема сосудов на лабораторной модели. При этом диаграмма скорости сохраняет примерно линейный характер. Пульсирующий характер изменения ускорений наблюдается при всех значениях масс приводного груза. В ряде случаев амплитуда колебаний ускорений относительно среднего значения достигала 1 м/с2. Величина рывка при этом составляла 6,5-^10 м/с3, увеличиваясь с ростом массы приводного груза. В то же время взаимосвязь изменения амплитуды колебаний ускорений с соответствующим изменением массы приводного груза не прослеживается.

Обобщенный анализ результатов экспериментов с определением величины грузового коэффициента и степени массивности подъемной системы, характеризующих соответственно соотношение сил трения, сил инерции и статической составляющей движущего усилия, позволил сделать вывод об автомодельности процессов пуска лабораторной модели и реальных шахтных подъемных установок.

В третьей главе представлены также материалы по полупромышленной модели грузового подъемника, разработанного при участии автора диссертационной работы и реализованного в НТП «Подъеммехмаш». В процессе создания подъемника были проведены исследования по определению коэффициента трения между канатами и шкивами разгрузочно-ловительного устройства, изготовленными из различных материалов, а также разработана методика наладки и испытаний подъемника (рис. 6). Грузоподъемность подъемника — 100 кг. Собственная масса подъемного сосуда — 60 кг. Масса уравновешивающего противовеса — 110 кг. Расчетное значение разгружающего усилия соответствует массе груза 50 кг — 490,5 Н. В качестве привода подъемника использовался мотор-редуктор МШ0 мощностью 0,18 кВт с насаженным на консоль вала шести-ручьевым канатоведущим шкивом 1 в комплекте с трех-ручьевым контршкивом 2.

Рис. 6. Кинематическая схема грузового подъемника при испытаниях разгрузочно-ловительного устройства

Подъемный сосуд 3 и противовес 4 подвешены на трех тяговых канатах 5, запасованных по полиспастной схеме 2:1 с использованием блоков 6. Линейная скорость на канатоведущем шкиве при номинальной частоте вращения привода составляла 0,26 м/с, что обеспечивало скорость подъема груза — 0,13 м/с.

Во время испытаний концы тяговых канатов подъемного сосуда были отсоединены от мачты подъемника, перекинуты через направляющий ролик 10 и закреплены на тяговом органе (ленте) 11 вспомогательной лебедки 12 с ручным приводом и стопором. После нескольких подъемных операций, выполненных с целью обкатки грузового подъемника, были проведены испытания разгрузочно-ловительного устройства, которые состояли в следующем: включался привод подъемника и подъемный сосуд устанавливался на высоте 2 м от уровня основания мачты; растормаживался привод вспомогательной лебедки, что приводило к полному ослаблению тяговых канатов; вес подъемного сосуда и противовеса полностью воздействовал на подвижные шкивы разгрузочно-ловительного устройства, сжимая пружины и приводя шкивы в соприкосновение с тормозными колодками, провоцируя торможение и последующую блокировку шкивов и подъемной системы в целом.

Испытания были проведены при порожнем подъемном сосуде, а также при его частичной и полной загрузке. При всех испытаниях обеспечивалось надежное улавливание подъемного сосуда и противовеса без скольжения каната по шкивам разгрузочно-ловительного устройства. Величина пролета сосуда до его стопорения составляла от 6 до 8,5 см. Закономерного изменения величины пролета в зависимости от степени загрузки подъемного сосуда в процессе предварительных испытаний не установлено.

В четвертой главе представлены результаты обоснования параметров систем разгрузки головных канатов, а также оценки эффективности их использования при реконструкции шахтного подъема.

Относительное снижение статической концевой нагрузки тяговых канатов при использовании системы разгрузки оценивается параметром

где іУщ и5і; — расчетные статические концевые нагрузки соответственно на тяговый канат и на тяговый и разгружающий канаты вместе.

Применительно к двухскиповым и одноклетевым подъемным установкам формула (8) может быть представлена следующим образом: Рс

к , ГС к 1 , Рс+0,5

5гк=1-Фр7^- И 5гк =1-фр—-

(9)

Гр1+Рс - - тр 1+рс где фр и ф р — степень разгрузки головных канатов по отношению к весу соответственно подъемного сосуда и противовеса, значение которой, как это показано выше, может быть принято равным 0,9-Ю,95.

Численный анализ зависимостей (9) при относительной степени разгрузки 0,9 и 0,95 представлен на рис. 7, на котором показаны также зависимости параметра (1 - 5ГК) от грузоподъемности сосудов, характеризующие величину относительного снижения статической концевой нагрузки на го ловные (тяговые) канаты.

_и 1 і I 1 1

ПИ і ~Йг

I 1 І 1

I ! "Л

- ІТ М

"5 10 15 20 523 30 33 «0 <5 §0 грузоподъемность скипов, т

3 6 ? 9 111 -.13 15 грузоподъемность шахтных клетей, т

Рис. 7. Изменение параметров и (1 - 6„) в зависимости от грузоподъемности двухскиповых и одноклетевых подъемных установок

Как видно из рис. 7, с увеличением грузоподъемности установок относительная величина тягового усилия увеличивается в связи со снижением массивности подъемных сосудов. Для двухскиповых установок с увеличением грузоподъемности скипов от 5 до 50 т относительная величина расчетного тягового усилия увеличивается с 0,488—0,515 до 0,593—0,615. Расчетное статическое усилие тягового каната при этом снижается от 51,2—48,5 до

40,7—38,5%. При фр = 0,95 снижение указанного усилия всегда выше, чем при фр = 0,9, что является естественным.

Для одноклетевых подъемных установок увеличение грузоподъемности шахтных клетей с 1 до 15 т приводит к росту относительной величины статического тягового усилия с 0,282—0,319 до 0,348—0,382, чему соответствует снижение указанного усилия с 71,8—68,1 до 65,2—61,8%.

Использование систем разгрузки головных канатов способствует увеличению тяговой способности барабанных подъемных машин стандартного ряда в отношении высоты подъема (глубины шахтного ствола) и грузоподъемности установок. На рис. 8 представлены результаты сравнительного анализа тяговой способности подъемной машины 2Ц-6><2,8у применительно к двухскиповому шахтному подъему. График 1 соответствует ограничению по прочности обечайки барабана для подъемных установок без систем разгрузки

головных канатов, график 2 — то же н,-, „

<м)

для установок с системой разгрузки, гост Вертикальная пунктирная линия ото- 1600 бражает ограничение грузоподъемности по допустимой нагрузке на корен-

12О0 800 400

О

— —„ — — і-- —

\ ч і 1

\ 3-' V г\ 1- І

\ ч ч \

ч ч к

N X 1 — )

нои вал подъемной машины для подъ- _____

"10 15 го 23 30 35 40 45 0,»Д емной установки С равновесным ХВО- Рис. 8. Предельная глубина шахты в зависи-

... „ гг мости от грузоподъемности двухскипового

СТОВЫМ канатом без системы разгруз- подъема с подъемной машиной 2Ц-6*2,8у

ки головных канатов, а график 3 — то же для установок с системой разгрузки при использовании хвостового каната с линейной массой, равной суммарной массе двух разгружающих канатов. Как видно из рис. 8, при использовании систем разгрузки головных канатов тяговые возможности подъемной машины существенно повышаются, а ограничение прочностью обечайки барабана отступает на второй план. Основным ограничивающим фактором становится прочность коренного вала подъемной машины.

На рис. 9 представлены результаты сравнительного анализа тяговых возможностей подъемной машины ЦР-6хЗ/0,6 применительно к одно клетевому подъему с противовесом.

<«}

2000 1600 1200 600 400 0

2400, 2000 1600 1200 800 400 0

— V "

\ У ——

\

с ч

7| N ч

-ш

7ч

Графики 7 и 2 на рис. 9 отображают ограничение по прочности обечайки барабана для установок соответственно без систем разгрузки головных канатов и с указанными системами, а графики 3 — ограничение канатоемко-стью навивочной поверхности барабана. Две горизонтальные пунктирные линии соответствуют ограничению глубины шахты по нормативам запаса

Ю 15 20 25 зо о^.т прочности головных канатов на стати-

Рис.9. Предельная глубина шахты в зави- ческие КОНЦевые И ПОЛНЫе раСТЯГИ-симости от грузоподъемности людских (а) и

грузолюдских (б) установок с подъемной ВЭЮЩИе нагрузки, машиной ЦР-6хЗ/0,6

Как видно из рис. 9, использование систем разгрузки головных канатов для одноклетевых установок с противовесом обеспечивает более существенное расширение области применения подъемных машин стандартного ряда, а основным ограничивающим фактором становится канатоемкость навивочной поверхности барабанов.

В диссертационной работе разработана методика расчета подъемных установок с системой разгрузки головных канатов, основными расчетными блоками которой являются: обоснование количества и расчет разгружающих канатов; расчет и выбор разгружающего шкива с поверочным расчетом удельного давления на футеровку и статического коэффициента безопасности против скольжения по режиму предохранительного торможения при аварийном обрыве головного каната; расчет и выбор головных канатов; расчет и выбор дифференциального разгружающего противовеса.

Для двухскиповых подъемных установок достаточно иметь двухсекционный противовес с одной подвижной секцией, а для одноклетевых необходим четырехсекционный противовес с тремя подвижными секциями.

Общая масса разгружающего противовеса зависит от типа подъемной установки:

• двухсосудные — епр р = ерш + гСфрР.е^, + рркН); (10)

• ОДНОСОСуДНЫе — 2прр = врш + 2[ф'р (Рс + 0,5)2гр + рркЯ], (11)

где 2рш — масса разгружающего шкива с подвесной рамой, а численные значения фр и ф р задаются в интервале 0,9-Ю,95.

Масса жестко закрепленной части противовеса для однососудной и двухсосудной установок определяется одинаково — по режиму спуска порожнего сосуда:

РсСя-«!)-Кп8

бпрі = 2рш+2

(12)

_2 ахк^Н + а^мш + 8

где £*1 — ускорение пуска подъемной установки, а численные значения коэффициентов кот крК и кмш зависят от типа подъемной установки и принимаются в соответствии с рекомендациями, изложенными в главе 2.

Масса подвижной части разгружающего противовеса для двухсосуд-ных подъемных установок

бпр2 - £?пр.р ~ 2пр1 -

ФрРс

(13)

2а{кркН + а1кмш

Масса первой сверху 2-1 подвижной части разгружающего противовеса для однососудных установок

бпр2-1 - 22гр

Ф'рРс-"

2 а{к^н + ахкыш + g Масса средней 2-2 подвижной части разгружающего противовеса

_ Г(РС+0,5)(У-Д1)-СУ

^Гпр2-2 - ^Нгр О I Г7 , 7

I 2 Я1^ркЯ + а1А:иш

Масса нижней 2-3 подвижной части разгружающего противовеса

(Рс+0,5)^-Д,)-Ог

(14)

~ФрРс

(15)

ЄпР2-3 = Щ

гр

Фр(Рс + 0,5) — -

(16)

2ахк^Н + а{кмш + я

В диссертационной работе выполнен эксплуатационный расчет трех вариантов оборудования двухскиповой установки со скипами 1СН25-2 и подъемной машиной 2Ц-6х2,8у при начальной глубине шахты 800 м и после-

дующем переходе к обслуживанию добычного горизонта на глубине 1200 м. Вариант Л предусматривал реконструкцию установки с использованием системы разгрузки головных канатов при ранее задействованной подъемной машине с соответствующей заменой привода в связи с увеличением его мощности. При варианте Б производилась замена одноканатной подъемной системы двухканатной системой Блейера на базе двух автономных подъемных машин 2Ц-6х2,8 с синхронизирующей системой управления приводом. При варианте В реконструкция шахтного подъема производилась путем перехода к многоканатному подъему со шкивами трения. При этом должны быть задействованы две многоканатные односкиповые установки с противовесами, что связано с известными эксплуатационными особенностями шахтного подъема со шкивами трения.

В табл. 1 представлены результаты определения некоторых обобщенных параметров рассмотренных выше вариантов оборудования подъемных установок, косвенно отображающих соответствующие затраты, связанные с их реконструкцией. Данные, приведенные в табл. 1, свидетельствуют о том, что использование системы разгрузки головных канатов как способа реконструкции шахтного подъема при переходе к освоению глубоких добычных горизонтов может составить конкуренцию традиционным способам решения этой проблемы.

Таблица 1

Наименование параметра Вариант оборудования

А Б В

1. Количество задействованных

подъемных машин 1 2 2

2. Общая масса канатов, т 50,7 83,7 108,6

3. Суммарная масса основных

элементов подъемной системы, т 440 635 620

4. Удельная расчетная мощность

на 1 тонну часовой производи-

тельности, кВт-ч/т 7,04 6,47 6,96

Вариант А незначительно проигрывает по удельной мощности, отнесенной к 1 тонне часовой производительности, что связано со статической неуравновешенностью системы подъема — линейная масса хвостового каната в два раза меньше равновесного каната, который был предусмотрен для системы Блейера и для многоканатных установок со шкивами трения. Увеличение этого параметра по отношению к вариантам Б и В составляет соответственно около 9 и 1,2 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований решена актуальная научная задача по обоснованию общего устройства и параметров систем разгрузки головных канатов при реконструкции шахтных подъемных установок с барабанным приводом с целью увеличения высоты подъема и грузоподъемности.

Основные результаты и выводы, полученные лично автором:

1. На основе одномассовой динамической модели системы разгрузки головных канатов получены аналитические зависимости, позволяющие оценить их разгружающую способность с учетом режимов пуска подъемных установок. Установлено, что разгружающая способность систем разгрузки головных канатов существенно снижается при увеличении пусковых ускорений и общей высоты подъема грузов.

2. Получены эмпирические зависимости для оценки степени массивности элементов, составляющих систему разгрузки головных канатов.

3. Разработаны и запатентованы при участии автора диссертации конструктивные схемы систем разгрузки головных канатов с подвесным разгружающим шкивом, обеспечивающие автоматическую компенсацию неравномерности вытяжки головных и разгружающих канатов в процессе эксплуатации подъемных установок.

4. Использование дифференциального противовеса в системе подвески разгружающего шкива гарантирует динамическую устойчивость системы разгрузки головных канатов — восстанавливаемость, по завершении периода пуска, максимальных разгружающих усилий, величина которых составляет

до 95% собственного веса подъемного сосуда двухсосудных установок и до 95% веса уравновешивающего противовеса однососудных установок.

5. Обоснованы аналитические зависимости для определения основных параметров систем разгрузки головных канатов шахтных однососудных и двухсосудных подъемных установок, оборудованных подвесным разгружающим шкивом и дифференциальным противовесом.

6. Разработана методология и получены аналитические зависимости для оценки эффективности использования систем разгрузки головных канатов при реконструкции шахтных подъемных установок с целью увеличения высоты подъема и грузоподъемности.

7. Для установок, оборудованных предлагаемыми системами разгрузки головных канатов, ограничение высоты подъема и грузоподъемности прочностью обечайки барабанов отступает на второй план. Основными ограничивающими факторами для таких установок являются прочность коренного вала подъемной машины (двухсосудные установки с двухбарабанным приводом) и канатоемкость навивочной поверхности барабанов (однососудные установки с противовесом и однобарабанным приводом).

8. Использование систем разгрузки головных канатов как метода реконструкции шахтного подъема может составить конкуренцию многоканатным подъемным установкам и двухканатной системе Блейера. При этом достигается уменьшение количества задействованных подъемных машин, существенное снижение массы канатов и общей суммарной массы элементов подъемной системы при небольшом росте удельного энергопотребления.

9. Оснащение систем разгрузки головных канатов тормозной системой и ее преобразование в разгрузочно-ловительную позволит существенно повысить безопасность эксплуатации шахтных подъемных установок.

Основные выводы диссертационной работы подтверждены результатами экспериментальных исследований на лабораторной модели шахтной подъемной установки, а также результатами испытаний полупромышленной модели грузового подъемника с разгрузочно-ловительным устройством, реализованного в НТП «Подъеммехмаш».

24

Основные положения диссертационной работы освещены в следующих публикациях

1. Махоткин A.M. Предельная глубина шахт для подъемных машин с цилиндрическими барабанами и способ ее увеличения // Горное оборудование и электромеханика.—2011.—№ 6.— С. 22-25.

2. Махоткин A.M. Эффективность систем разгрузки тяговых канатов при реконструкции шахтных одноклетевых подъемных установок // Подъемно-транспортное дело.—: 2011.— № 4. — С. 26-29.

3. Гудим С.Ф., Колесников A.A., Гришко А.П., Махоткин A.M. Некоторые направления, совершенствования грузовых подъемных установок // Лифт.—2011—№8.—С. 31-34; Лифтинформ,—2011,—№ 8,—С. 34-37.

4. Махоткин A.M. Исследование параметров системы разгрузки тяговых канатов на лабораторной модели шахтной подъемной установки // Горный информационно-аналитический бюллетень.— 2012.—№ 5. — С. 381-383........

5. Галкин В.И.,' Махоткин A.M. Оценка эффективности систем разгрузки головных канатов при реконструкции шахтных подъемных установок // Горный информационно-аналитический бюллетень.— 2012.— № 6.— С. 228-231.

6. Махоткин A.M. Шахтная подъемная установка.— RU 11577 IUI. Патент на полезную модель. Опубликовано: 10.05.2012, Бюл. № 13.

7. Гришко А.П., Гудим С.Ф., Гудим С.С., Колесников A.A., Махоткин A.M. Грузовой подъемник с безредукторным электроприводом и разгрузочно-ловительным устройством. — RU 2468982 С1. Патент на изобретение. Опубликовано: 10.12.2012, Бюл. № 34.

Подписано в печать 25.02.20ІЗ г Объем! п.л.. ; , . Тираж 100экз.

Формат 60x90/16 Заказ № 1590

Отдел печати Московского государственного горного университета, Москва, Ленинский проспект, 6