автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение срока службы канатов и эффективности эксплуатации шахтных подъемных установок

На правах рукописи

ТРИФАНОВ ГЕННАДИЙ ДМИТРИЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ КАНАТОВ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.05.06 - Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г 4 О К Г 2№

Екатеринбург — 2013

005535490

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»,

Научный консультант: доктор технических наук, доцент

Попов Юрий Владимирович

Официальные онпоненты:

Картавый Николай Григорьевич, доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, профессор кафедры прикладной и теоретической механики

Корняков Михаил Викторович, доктор технических наук, доцент, Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, проректор по инновационной деятельности

Сысоев Николай Иванович, доктор технических наук, профессор, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), заведующий кафедрой "Нефтегазопромысловые и горные машины и оборудование"

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Защита состоится 23 декабря в 1200 на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, зал Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан 10 октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

М. Л. Хазин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Добыча и переработка полезных ископаемых продолжают оставаться одним из основных направлений экономического развития Российской Федерации. Техническое состояние горно-шахтного оборудования и эффективность его эксплуатации оказывают определяющее влияние на деятельность отдельных предприятий и горнодобывающей отрасли в целом. Ключевая роль в успешной деятельности горного предприятия принадлежит шахтным подъёмным установкам (ШПУ), с помощью которых обеспечиваются выдача полезного ископаемого, перемещение людей и грузов. От надежности работы этого важнейшего звена технологической цепи зависит бесперебойность работы всего горнодобывающего предприятия, а практически любая аварийная ситуация на подъёме ведет к остановке предприятия.

В последние годы парк шахтных подъёмных машин сильно состарился. Срок службы большинства из них превышает 25 лет. Такой же срок службы имеют привод шахтных подъёмных машин, система управления этим приводом, оборудование шахтного ствола, стволовая сигнализация и другие жизненно важные элементы шахтных подъёмных установок.

В этих условиях актуальной является задача повышения эффективности эксплуатации шахтных подъёмных установок обеспечением их безопасной эксплуатации при наибольшем использовании ресурса подъёмных машин и других элементов подъёмных установок. Решение этой задачи возможно за счет применения современных аппаратно-программных комплексов контроля состояния оборудования шахтных подъёмных установок, обеспечивающих оперативную техническую диагностику и позволяющих в режиме реального времени оценивать возможность безаварийной эксплуатации шахтных подъёмных установок. Для успешного внедрения таких комплексов необходимо разработать требования к системам непрерывного контроля параметров шахтных подъёмных установок.

Среди основных элементов шахтного подъёма, от надежности которых зависит безопасность его эксплуатации, являются подъёмные канаты. Одноканатные ШПУ большой производительности оснащены подъёмными канатами с разрывным усилием более 3 600 кН. Они поднимают скипы с грузом общей массой до 52 т.

Применение канатов современных конструкций, разработка мероприятий по обеспечению их безопасной эксплуатации при наибольшем использовании их ресурса позволяют повысить эффективность работы шахтных подъёмных установок. В диссертации приведены результаты работы автора по обеспечению безопасной эксплуатации шахтных подъёмных установок, подъёмных канатов, внедрению систем контроля режимов работы, обеспечению ревизии и наладки на современном уровне.

Диссертационная работа основана на исследованиях, проведенных под руководством автора в 1981-2013 гг. в Пермском государственном

техническом университете (теперь - ПНИПУ) по хозяйственным договорам с ОАО «Уралкалий» и ОАО «Сильвинит», а также в соответствии с соглашением с Минобрнауки РФ № 14.В37.21.1097 от 13.09. 2012 г о предоставлении гранта в форме субсидии на проведение научных исследований в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Объект исследования - одноканатные шахтные подъёмные установки большой производительности.

Целью работы является повышение срока службы канатов и эффективности эксплуатации шахтных подъёмных установок на основе разработки научных основ, приборной базы, нормативной документации и комплекса организационно-технических мероприятий.

Идея работы заключается в использовании возможностей непрерывного контроля в режиме реального времени параметров работы шахтных подъёмных установок и динамических процессов в их элементах при разработке приборной базы, нормативной документации, организационно-технических мероприятий для надежного обеспечения эффективности и безопасности эксплуатации шахтных подъёмных установок.

Методы исследований включают критический анализ практического опыта эксплуатации ШПУ, постановку и проведение теоретических и экспериментальных исследований, базирующихся на применении основных положений математики, физики и механики, проектирование приборной базы и средств ее использования, формулирование основных требований нормативной документации и организационно-технических мероприятий.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Нормы браковки по потере сечения грузовых шахтных подъёмных канатов с металлическим сердечником могут быть увеличены с 15 до 20 % без снижения безопасности их эксплуатации.

2. Амплитуда поперечных колебаний струны каната прямо пропорциональна величине замедления предохранительным торможением и достигает максимальных значений при совпадении частот свободных продольных колебаний сосуда на канате и поперечных колебаний струны каната после остановки органов навивки машины.

3. Повышение срока службы подъёмных канатов шахтных подъёмных установок может быть достигнуто путем наладки тормозной системы на минимально допустимые замедления при торможении, сокращения количества срабатываний предохранительного тормоза, устранения пульсирующего характера истечения руды при загрузке сосудов.

4. Оценку влияния динамических нагрузок на долговечность подъёмных канатов на действующих подъёмных установках следует основывать на исходных данных, полученных аппаратно-программным комплексом, устанавливаемом на подъёмном сосуде.

5. Разработанные средства непрерывного контроля параметров шахтных подъёмных установок могут обеспечить повышение интенсивности их работы.

6. Защита от зависания скипов в разгрузочных кривых и напуска каната в ствол эффективно может быть обеспечена методом тензометрии деформации балок металлических шахтных копров.

Научная новизна работы

1. На основе статистической обработки результатов наблюдений за эксплуатацией шахтных подъёмных канатов с 1990 по 2012 г. установлены основные причины выхода канатов из строя и снятия их с эксплуатации.

2. Исследованы факторы, оказывающие наибольшее влияние на долговечность канатов, и обоснована возможность увеличения их срока службы.

3. Установлены закономерности совместных продольных колебаний сосуда на канате и поперечных колебаний струны каната при предохранительном торможении, на основании которых предложен и разработан метод определения зоны максимальных поперечных колебаний струны подъёмного каната.

4. Разработана математическая модель подъёмной установки, учитывающая ее текущие фактические параметры и обеспечивающая контроль динамических процессов в режиме реального времени.

5. Исследовано влияние динамических нагрузок при предохранительном торможении и при загрузке сосуда пульсирующим потоком на долговечность подъёмного каната. Установлено, что в среднем воздействие одного предохранительного торможения на канат соответствует воздействию 160 циклов подъёма груза.

6. Экспериментально установлена зависимость деформации элементов металлического копра подъёмной установки от натяжения подъёмных канатов и обоснована возможность реализации защиты от напуска каната в стволе методом тензометрии.

7. Обоснована технико-экономическая целесообразность применения средств контроля параметров шахтных подъёмных установок для повышения эффективности их эксплуатации.

Практическое значение работы

1. Разработаны мероприятия по увеличению срока службы канатов и исключению их повреждения в процессе эксплуатации с учетом накопленного опыта эксплуатации канатов различной конструкции и различных производителей.

2. Разработаны рекомендации по исключению опасных поперечных ударов подъёмного каната об элементы конструкций копра и здания подъёмной машины.

3. Внедрены в практику проектирования и эксплуатации шахтных подъёмных установок разработанные технологические регламенты их эксплуатации, инструкции по эксплуатации подъёмных канатов, методические

указания по проведению испытаний стальных канатов и экспертизы промышленной безопасности подъёмных сосудов шахтных подъёмных установок.

4. На основании сформулированных требований к регистраторам параметров шахтных подъёмных установок осуществляется серийный выпуск типоряда регистраторов РПУ-ОЗ.х. Экономический эффект от внедрения регистратора параметров РПУ-03.5 на одной скиповой подъёмной установке ствола №1 рудника СКРУ-3 ОАО «Уралкалий» составил 13,3 миллиона рублей в год.

5. Для снижения количества повторных срабатываний предохранительного тормоза разработан и внедрен в практику работы подъёмных установок анализатор защит АнЗ-З, являющийся элементом регистраторов параметров РПУ-ОЗ.х.

6. В практику деятельности наладочных организаций внедрена аппаратура «Силькан», обеспечивающая повышение точности измерений, оперативную обработку информации и документирование при проведении ревизии, наладки и испытания тормозной системы и привода шахтных подъёмных установок.

7. Разработана аппаратура контроля натяжения канатов шахтной подъёмной установки «Тулым», обеспечивающая защиту от напуска каната в ствол и защиту от зависания скипов в разгрузочных кривых.

Достоверность научных положении, выводов и рекомендаций подтверждается использованием методов классической механики при математическом моделировании и современных средств измерения при проведении экспериментальных исследований, большой практикой эксплуатации шахтных подъёмных установок с применением разработанных приборов контроля их параметров и нормативных документов. При этом относительная ошибка экспериментальных данных не превышает 7-9% при 90%-м уровне сходимости экспериментальных данных с расчетными.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы положены в основу разработки и внедрения следующих серийно выпускаемых приборов безопасности:

— регистраторы параметров подъёмной установки РПУ-ОЗ.х общим числом 220 штук смонтированы и находится в эксплуатации на шахтных подъёмных установках 24 предприятий России, Казахстана и Белоруссии (разрешение Ростехнадзора № РРС 00-39112);

— аппаратура «Силькан» внедрена в практику проведения ревизии, наладки и испытания шахтных подъёмных установок 10 предприятий России, Казахстана, Белоруссии и Украины (разрешение Ростехнадзора № РРС 0039113);

— разработана аппаратура контроля натяжения канатов шахтной подъёмной установки «Тулым», обеспечивающая защиту от напуска каната в ствол и защиту от зависания скипов в разгрузочных кривых (разрешение

Ростехнадзора № PPC 00-049481). Аппаратура внедрена на двух подъёмных установках.

Основные положения диссертационной работы реализованы при разработке следующих нормативных документов: «Инструкция по эксплуатации канатов в шахтных стволах калийных рудников ОАО «Уралкалий», «Методические указания по проведению экспертизы промышленной безопасности сосудов шахтных подъёмных установок (РД-15-05-2006), «Методические указания о порядке проведения испытаний стальных канатов на канатно-испытательных станциях (КИС) (РД-15-12-2007), «Технологический регламент эксплуатации шахтных подъёмных установок и стволов ОАО «Сильвинит».

Результаты диссертационной работы реализованы в практике эксплуатации шахтных подъёмных установок в России, Казахстане и Белоруссии, при пуске в эксплуатацию, ревизии и наладке шахтных подъёмных установок, при проведении экспертизы промышленной безопасности. Учебное пособие «Расшифровка и анализ записей регистраторов параметров шахтных подъёмных установок» предназначено для студентов технических вузов специальностей 150402 «Горные машины и оборудование» и инженерно-технических работников горнодобывающих предприятий, наладочных и ремонтных организаций.

Апробация работы

Диссертационная работа и основные ее положения изложены, обсуждены и получили одобрение на научно-технических конференциях Пермского политехнического института (г. Пермь, 1979 - 1984 , 1991 гг.), Пермского государственного технического университета (г. Пермь, 1995, 1996, 1998, 2001-2004,2007-2011 гг.), научно-технических конференциях и семинарах Горного института УрО РАН, (г. Пермь, 1995, 1997, 1999,2004 гг.), международных научно-технических конференциях «Неделя горняка» Московского государственного технического университета (г. Москва, 2000 -2013 гг.), международных научно-практических конференциях группы предприятий «Западно-Уральский машиностроительный концерн» (г. Пермь 2005, 2009, 2011, 2012 гг.), научно-технических конференциях Уральского государственного горного университета (2008 - 2012 гг.), международных научно-технических конференциях и семинарах по проблемам конструирования, производства и эксплуатации стальных канатов Одесского научно-исследовательского отдела стальных канатов (г. Одесса 1990-1993 гг.), Международной ассоциации исследователей стальных канатов (г. Одесса: 2001-2012 гг.), научно-технических конференциях «Технические средства океанического промышленного рыболовства» в Севастопольском кораблестроительном институте (г. Севастополь 1992-1993 Гг.), международных научно-практичес-ких конференциях фирмы «МИДИЭЛ» (г. Севастополь 2003, 2005, 2007 гг.), научно-практических совещаниях Ростехнадзора в г. Волгограде (2001 г.), в г. Челябинске (2005 г.), в

г. Новосибирске (2007 г.) в г. Перми (2008 г.), совещании Западно-Уральского управления Ростехнадзора в г. Березники (2012 г.).

Личный вклад соискателя в работу

Научные обоснования и технические решения, положенные в основу диссертации, а также все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, разработаны и получены лично автором.

Публикации

По теме диссертации опубликована 31 работа, в том числе 18 -в изданиях из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, утвержденного ВАКом, 1 авторское свидетельство и 1 патент, 3 руководящих документа, утвержденных Ростехнадзором.

Структура и объем диссертационной работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка (182 наименования) и 8 приложений. Содержит 203 страниц текста, 14 таблиц и 86 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ работ по эксплуатации шахтных подъёмных установок, основных факторов, оказывающих влияние на состояние оборудования шахтного подъёма, математических моделей, описывающих динамические процессы при работе шахтного подъёма, методов и средств определения величины динамических нагрузок, а также состояния исследований в области прогнозирования и установления фактических ресурсов оборудования подъёмных установок, сформулированы цели и задачи исследования.

В условиях увеличения производительности шахтных подъёмных установок, эксплуатации большого количества подъёмных установок с истекшим сроком службы важное значение приобретают постоянный контроль за параметрами и использование полученной информации для оценки состояния оборудования шахтных подъёмных установок.

Теоретические основы современных шахтных подъёмных установок были заложены академиками М.М. Федоровым и А.П. Германом. Значительный вклад в развитие теории и практики шахтного подъёма внесли исследования академика А. С. Ильичева, профессоров Ф.Н. Шклярского, Г.М. Еланчика, В.Б. Уманского, В.И. Киселева, B.C. Тулина, В. Д. Белого, Н.Г. Картавого, Ю.В. Попова и ряда других ученых

Исследованиям механических свойств и динамики шахтных подъёмных канатов посвящены работы А.Н. Динника, П.П. Нестерова, З.М. Федоровой, Г.Н. Савина, Ф.В. Флоринского, М.Ф. Глушко, В.Д. Белого, В.И. Бережинско-го, Б.Л. Давыдова, O.A. Горошко, O.A. Залесова, В.И. Дворникова, Н.М. Картавого и других ученых. Ими определены коэффициенты запаса прочности шахтных подъёмных канатов, установлены нормы браковки канатов

по результатам испытаний их проволок и измерений потери сечения металла. В работах В.И. Белоброва, Е.С. Траубе, А.Г. Степанова, И.С. Найденко, Б.А. Носырева, М.В. Корнякова и других авторов исследованы динамические усилия в элементах шахтных подъёмных установок, разработаны мероприятия, направленные на снижение этих усилий и повышение безопасности эксплуатации подъёмных установок. Кинематические и динамические характеристики подъёмных установок в этих исследованиях представлены аналитическими зависимостями, выведенными из теоретических законов движения элементов подъёмной установки. При этом не учитывались реальные параметры подъёмных установок и их изменение в процессе эксплуатации.

Для расчета величины и характера динамических нагрузок необходимо разработать математические модели, сопряженные с реальными процессами на подъёмной установке, обеспечивающие расчет динамических процессов в режиме реального времени. Необходимо также создать методику расчета остаточного ресурса элементов подъёмной установки по вычисленным спектрам их нагружений.

Одной из причин повреждения подъёмных канатов, как показали проведенные исследования причин снятия канатов, являются поперечные удары каната об элементы конструкций, находящихся в зоне колебаний струны каната. Исследования поперечных колебаний струны подъёмного каната И.И. Почепаева, Ф.В. Флоринского, Л.В. Колосова, А.И. Обухова, В.И. Дворникова и других ученых посвящены определению предельной длины струны. Вместе с тем практика эксплуатации отечественных подъёмных установок свидетельствует, что проблеме исключения возможного соударения каната с элементами конструкции копра либо с другими предметами до настоящего времени уделялось недостаточно внимания. Необходимы дополнительные исследования в этой области с целью разработки методики определения зоны поперечных колебаний струны каната.

Для выполнения требований п. 352 ПБ-03-553-03 все шахтные подъёмные установки должны быть оснащены регистраторами параметров. Внедрение систем непрерывного контроля за основными параметрами работы шахтной подъёмной установки, индикации текущих значений, а также хранения и последующей детальной расшифровки всей контролируемой информации позволяет существенно снизать вероятность возникновения аварийной ситуации, а в случае возникновения таковой - разобраться в причинах. Для успешного внедрения этих приборов необходимо разработать требования к регистраторам параметров. Накопленный опыт эксплуатации показал, что информация регистраторов параметров может быть использована не только для определения причин возникновения аварийной ситуации, но и для расчета фактических нагрузок, воздействующих на подъёмные сосуды, подвесные устройства, канаты и другие элементы подъёмной установки. Это позволяет достоверно определить весь спектр напряжений и учитывает особенности

каждого цикла подъёма груза, каждого наложения предохранительного тормоза при расчете остаточного ресурса элементов подъёмной установки.

Динамические нагрузки, воспринимаемые оборудованием шахтного подъёма, во многом определяются наладкой системы управления приводом, тормозной системы, защит и блокировок подъёмной установки. Для повышения качества наладочных работ необходимы современные средства измерения, обеспечивающие точность измерения, регистрации и документирования контролируемых параметров подъёмной установки.

Отклонение параметров работы подъёмной установки от проектных значений должно привести к срабатыванию защитных устройств. Несмотря на это, практика эксплуатации шахтного подъёма сопровождается авариями. По данным И.Н. Латыпова, 50 % всех аварий на подъёмных установках приходятся на элементы стволового хозяйства. Наибольшее число аварий в стволе связано с зависанием подъёмного сосуда или противовеса в стволе.

Опыт расследования причин обрыва подъёмных канатов с участием автора на рудниках Пермского края также подтверждает эти выводы: в трех случаях из четырех обрыв каната был вызван зависанием противовеса и скипов и последующего его свободного падения в ствол.

Большое количество аварий, вызванных зависанием подъёмного сосуда и последующим напуском каната в ствол, свидетельствует о недостаточной надежности применяемой на рудниках аппаратуры защиты. Современные средства сбора и обработки информации позволяют контролировать натяжение подъёмных канатов и разработать систему защиты от напуска каната в ствол. Для реализации такой системы необходимо провести исследования деформации элементов металлических копров шахтных подъёмных установок в зависимости от натяжения подъёмных канатов.

Проведенные обзор и анализ исследований, направленных на увеличение срока службы и повышение эффективности эксплуатации шахтных подъёмных установок в соответствии с целью работы, изложенной во введении, позволяют сформулировать задачи диссертационного исследования.

1. Выполнить анализ причин снятия с эксплуатации подъёмных канатов и другого оборудования шахтных подъёмных установок.

2. Разработать, математические модели шахтной подъёмной установки, учитывающие в режиме реального времени фактические параметры ее работы.

3. Установить закономерности изменения срока службы оборудования подъёмных установок от динамических нагрузок.

4. Создать систему постоянного контроля параметров работы шахтной подъёмной установки, обеспечивающую непрерывный контроль и подсчет фактических нагрузок, испытываемых оборудованием шахтных подъёмных установок.

5. Разработать аппаратно-программные комплексы, обеспечивающие контроль режимов работы подъёмной установки, определение причин

возникновения аварийных ситуаций и объективную оценку технического состояния оборудования шахтной подъёмной установки.

6. Разработать нормативную документацию, учитывающую современные требования законодательства в области промышленной безопасности, достижения науки, техники и технологии при проектировании и эксплуатации шахтных подъёмных установок.

Во второй главе на основе результатов выполненных работ по контролю состояния канатов, периодического обследования оборудования шахтных подъёмных установок калийных рудников проведен анализ основных причин выхода этого оборудования из строя. На рис. 1 показаны основные причины снятия 219 канатов в период с 1990 по 2012 г., бывших в эксплуатации на скиповых подъёмных установках калийных рудников.

До ввода в действие «Временной инструкции по эксплуатации грузовых канатов с металлическим сердечником на калийных рудниках» в 1992 г. срок службы канатов был ограничен одним годом. В дальнейшем срок службы канатов постепенно увеличивался. Этим объясняется большое количество снятых с эксплуатации по сроку службы канатов.

Изучение состояния забракованных канатов, обстоятельств, оказавших влияние на их повреждение, позволило определить конкретные причины, приведшие к необходимости снять канат и разработать рекомендации по исключению в дальнейшем таких повреждений.

Доля снятых

канатов от их Срок службы.

общего числа. 0 о лет

60- б —

53.0

Рис. 1. Диаграмма распределения причин снятия подъёмных канатов калийных рудников: ■ - доля снятых по определенной причине канатов от их общего числа, %; - средний срок службы канатов, лет

Из рис. 1 следует, что большинство канатов снято с эксплуатации по результатам инструментального контроля.

Благодаря выполненным исследованиям состояния снятых канатов установлено, что показания канатных дефектоскопов не всегда однозначно соответствуют фактической потере поперечного сечения канатов по металлу. Теоретически установлена одна из причин несоответствия показаний дефектоскопа фактической потере сечения для канатов с металлическим сердечником большого диаметра - это различные условия намагничивания контрольного отрезка и подъёмного каната. Для увеличения точности измерения потери сечения подъёмных канатов и обнаружения обрывов проволок предложены новый способ неразрушающего контроля канатов и устройство для его осуществления. Этот способ контроля и устройство, обеспечивающее также измерение шага свивки прядей и координаты по длине каната, защищены патентом РФ.

Потеря Коэф. запаса

сечения, % прочности

Рис. 2. Изменение запаса прочности и потери сечения канатов с металлическим сердечником:

1 - потеря сечения каната № BOO 152/3; 2 - потеря сечения каната № В004342: 3 - потеря сечения каната № В004341; 4 - запас прочности каната № BOO 152/3: 5 - запас прочности каната № В004342: б-запас прочности каната № В004341; 7-уровень потери сечения каната 20 %: 8- уровень потери сечения 15 %;

9 - уровень запаса прочности к=5

Применяемые в настоящее время приборы инструментального контроля стальных канатов позволяют оценить состояние металлического сердечника и выявить порывы проволок как внутри наружных прядей, так и в сердечнике. Вместе с тем нормы браковки канатов по потере сечения остались неизменными. Это привело к тому, что в последние годы почти все канаты

шахтных подъёмных установок бракуются по результатам инструментального контроля.

На рис. 2 приведены графики изменения запаса прочности и потери сечения, полученные математической обработкой фактических данных результатов инструментального контроля и испытаний в КИС.

Из рисунка видно, что снижение запаса прочности каната в процессе эксплуатации происходит медленнее, чем увеличение потери сечения металла каната. Отсюда следует, что при браковке канатов по результатам испытаний разрушающим способом в КИС канаты имеют существенно больший срок службы. Это видно из рис. 1. Средний срок службы канатов, снятых по результатам дефектоскопии, составляет 2,6 года, а забракованных в КИС -3,7 года. Ни один из испытанных канатов не был забракован по запасу прочности.

Проведенные по согласованию с Ростехнадзором испытания грузовых канатов с металлическим сердечником с потерей сечения металла до 20 % при норме 15 % показали, что состояние снятых канатов соответствует всем другим критериям браковки. Грузовые канаты с металлическим сердечником могут безопасно эксплуатироваться с потерей сечения до 20 %. В этом случае срок службы канатов увеличится в среднем на 10 %.

В третьей главе приведены исследования совместных колебаний подъёмного сосуда и струны каната шахтной подъёмной установки. При описании колебаний ветвь каната представлена системой с двумя степенями свободы: продольными перемещениями ветви каната и поперечными перемещениями струны каната. Расчетная схема подъёмной установки приведена на рис. 3.

/

и

ГПу

Рис. 3. Расчетная схема подъёмной установки

Подъёмный канат представлен упругой нитью постоянной длины. Распределенная масса каната приведена к сосредоточенным массам машины и подъёмного сосуда по методу Рэлея. Канат в струне рассмотрен как упругая весомая нить постоянной длины.

При постоянной длине струны её отклонение при поперечных колебаниях может быть описано в виде ряда:

1=1 L

(1)

где sin

координатные функции; L - длина струны каната, м; срk(t) -

обобщенные координаты, м; \ >— расстояние от барабана до рассматриваемого участка струны каната; к = 1,2,3...

Математической моделью свободных колебаний будет система из трех дифференциальных уравнений относительно обобщенных координат:

mc FT

._£.g--I.

m, m„

(2)

l+v^ix-H 8

2gcosa

kit

где

p=

:>4k=-

-iy-i

2LZpgcosa^[-\)k -1

m. + p{l-L)' Ti k4[mcg+pg(l-L)

,22

2 С

ц ——,

/w,

(3)

(4)

(5)

(6)

где x, у - обобщенные координаты барабана машины и поднимающегося сосуда, м; с - жесткость каната, Н/м; тх, ту - приведенная масса движущихся органов машины и приведенная масса сосуда, кг; тс - масса гружёного подъёмного сосуда, кг; а—угол наклона струны к горизонту, град; р - масса одного метра каната, кг/м; / - длина каната от органа навивки до подъёмного сосуда, м; Fr - тормозная характеристика.

После остановки органов навивки подъёмной машины в каждой ветви каната будут происходить колебания, независимые от колебаний в другой ветви. Они описываются следующей системой уравнений:

Фа

Общее решение системы дифференциальных уравнений строится как сумма главных колебаний, совершаемых с частотами свободных колебаний системы. Рассматриваемая система имеет две частоты свободных колебаний: частоту свободных продольных колебаний и частоту свободных поперечных колебаний.

Продольные колебания ветви каната с максимальной амплитудой возникают при предохранительном торможении после остановки подъёмной машины. На рис. 4 приведены графики изменеиия скорости и ускорения подъёмного сосуда. Процесс биений колебаний возбуждается после остановки подъёмной машины, когда подъёмный сосуд совершает свободные колебания.

І+у^х-И £

ФА-^МЧ-

V )

м/с, м/с2

4 6 8 10 12 14 16 18 20

Время, с

Рис. 4. Графики колебаний скипа на канате при предохранительном торможении:

-скорость, м/с;-ускорение, м/с2

На рис. 5 представлены нормированные динамические составляющие перемещения точки посередине струны каната и подъёмного сосуда, при совершении свободных колебаний, после остановки подъёмной машины.

Оценка достоверности разработанной математической модели выполнена сопоставлением с результатами экспериментального исследования продольных и поперечных колебаний подъёмного каната, выполненных измерением

продольных колебаний сосуда на канате с одновременной записью поперечных отклонений струны скиповой подъёмной установки 2Ц5х2,7.

На рис. 6 и 7 показаны по данным эксперимента соответственно перемещение струны каната и вертикальная составляющая ускорения скипа.

Сравнением полученных численным решением математической модели значений главных частот колебаний со значениями частотного спектра вертикальных перемещений, полученных по результатам эксперимента, сделан вывод о качественном и количественном совпадении результатов математического моделирования совместных продольных и поперечных колебаний каната с результатами экспериментального исследования.

Таким образом, с использованием фактических исходных данных, полученных системой постоянного контроля параметров, можно получить решение системы дифференциальных уравнений, с высокой точностью предсказывающее характер продольных и поперечных колебаний каната. Расчет математической модели в режиме реального времени, основанный на текущих фактических параметрах, достоверно описывает динамические процессы в шахтной подъёмной установке и обеспечивает их постоянный контроль.

1.5

2

си

Я

Я

(1)

Я 0.5

QJ

Я

Л) и

а

Я)

0.5

1.5

\ /1 ш 4 \ А \ /1 Ал А А . м А й

VI1 М \у \\ /1 ' V У 1 И\ А А и 1 и 1 « V у V П\ /И \ \ 1 М у 1 \

V \ V ^ 1 /У V V

10

12

Время, с

Рис. 5. Нормированные динамические составляющие перемещений точки по середине длины струны и подъёмного сосуда: струна каната; подъёмный сосуд

В системе с двумя степенями свободы, совершающей свободные колебания, возможно возникновение явления биения — периодического изменения амплитуды главных колебаний. Биения видны на графике ускорений, приведенном на рис. 7. Ускорения скипа зафиксированы при исследовании продольных колебаний сосуда на канате с одновременной записью поперечных отклонений струны. На рис. 6 приведен полученный обработкой кадров видеосъемки график поперечных отклонений струны. На графике также видны биения.

Условие возникновения биений - малое отличие частот свободных колебаний:

у = (8)

Частоты собственных колебаний сосуда на канате и струны каната рассчитываются по формулам (6) и (4).

При движении подъёмного сосуда частоты свободных колебаний изменяются. Частота свободных продольных колебаний изменяется интенсивнее частоты свободных поперечных колебаний струны, и возможен случай выполнения условия возникновения биений. На рис. 8 показаны зоны совпадения частот. Для порожней ветви примерное равенство частот выполняется при нижнем положении подъёмного сосуда, для груженой ветви -при верхнем (подходе скипа к разгрузке).

2 0.6

« 0.4

а

со

а Я" 0.2

а;

£ 0

<1 >

а

и С -0.2

-0.4

-0.6

--41, » v v шШШш у V v V у V •

4 б 8 10 12 14 16 18 20

Время, с

Рис. 6. Перемещение струны каната

8 10 12 14 16 18 20

Время, с

Рис. 7. Вертикальная составляющая ускорения скипа

При возникновении явления биения энергия колебаний периодически перераспределяется между двумя главными колебаниями.

Исходя из положения, что в наиболее неблагоприятных условиях энергия колебаний системы может быть полностью сосредоточена в поперечных колебаниях струны, выведена формула для определения амплитуды максимальных колебаний произвольного участка струны каната:

(9)

где и0 - статический провес середины струны каната, и„ =

4/гсоза

п (тс / р + 1-Ь)

, м;

а - угол наклона струны к горизонту, град; / - длина каната от барабана подъёмной машины до подъёмного сосуда, м; атах - амплитуда максимальных ускорений сосуда после стопорения органов навивки каната; При определении максимального отклонения каната вверх перед радикалом берется знак минус, вниз — знак плюс.

10

я н о н и а ЕҐ

Частота свободных продольных колебаний

Частота свободных поперечных колебаний

100

:оо

300

400

Длина каната, м

Рис. 8. Зависимость частоты свободных колебаний груженой и порожней ветвей от положения подъёмного сосуда: ..................порожняя ветвь;- груженая ветвь

Выведенная формула позволяет на стадии проектирования определить зону возможных поперечных колебаний струны каната и исключить возможность соударения каната об элементы конструкции копра и здания подъёмных машин.

Источником возникновения колебаний системы являются продольные колебания ветви каната, сформированные замедлением системы при торможении подъёмной машины. Энергия продольных колебаний зависит только от начальных значений обобщенной координаты (смещение скипа

относительно положения равновесия) и ее первой производной (скорости скипа). Следовательно, амплитуда поперечных колебаний зависит от замедления системы при торможении.

Для исключения биений струны каната следует избегать срабатывания предохранительного тормоза при нижнем положении порожнего подъёмного сосуда и верхнем положении груженого. Для снижения амплитуды колебаний необходима наладка тормозной системы на минимальные замедления в пределах, установленных правилами безопасности.

Необходимо оградить острые кромки в зоне поперечных перемещений струны каната, чтобы возможные в дальнейшем удары канатов приходились на поверхность, футерованную «мягким» материалом и имеющую радиус кривизны не менее 15 диаметров каната.

В четвертой главе выполнена оценка динамических нагрузок на долговечность стального каната шахтной подъёмной установки.

В основу методики определения долговечности каната положен принцип линейного накопления усталости в микрообъеме материала при действии переменных динамических нагрузок нескольких типов. Условие повреждаемости каната в этом случае имеет вид

где /Уэкс - эксплуатационная долговечность каната или число циклов подъёма, при котором канат бракуется; ТУ' — число циклов нагружения каната до разрушения в результате действия каждой из динамических нагрузок в отдельности (при загрузке и разгрузке скипа, при пуске, торможении и равномерном движении подъёмной машины, при срабатывании предохранительного тормоза); V, - число амплитуд нагружения каждой из динамических нагрузок; ар — сумма относительных долговечностей (равенство единице соответствует классической линейной гипотезе Пальмгрена-Майнера); (I — коэффициент оставшейся работоспособности снятого каната.

Коэффициент оставшейся работоспособности ц предельно изношенного каната определяется по формуле

где #полн - долговечность каната в числе циклов подъёма, при котором наступило бы его разрушение.

Сумма относительных долговечностей определяется по формуле

(10)

(П) (12)

ПОЛИ

где оэ, - приведенная амплитуда напряжений, эквивалентная симметричному циклу нагружений; - максимальная амплитуда напряжений среди всех приведенных амплитуд, которая ограничивает множество учитываемых напряжений в расчете на усталость.

Число циклов нагружения каната до разрушения А'' в результате действия каждой из динамических нагрузок в отдельности определяется формулой

У = а(оа,)Мс т(от), (14)

где а(а(1,) - коэффициент снижения долговечности каната при переменных растягивающих нагрузках; Аг„(о„) - статическая долговечность каната при постоянных напряжениях ат без воздействия динамических нагрузок.

Аналитическое выражение динамического коэффициента снижения долговечности имеет вид

а(0 = 1"24

'1--2.

(15)

где са, - амплитуда изменения напряжений при г'-й динамической нагрузке; а™х - наибольшие средние напряжения, включающие изгибные и

растягивающие нагрузки.

Коэффициент снижения эксплуатационной долговечности каната при учете воздействия динамических нагрузок

N

Ь —_ экс_=-!--,1/СЧ

у_ъ__(16)

.Фа,)

показывает, во сколько раз уменьшается долговечность каната в количестве подъёмных циклов при воздействии динамических нагрузок по сравнению со статической долговечностью каната, которая соответствует упрощенному режиму нагружения каната «растяжение-сжатие» без возникновения дополнительных динамических нагрузок.

Для оценки влияния предохранительных торможений на долговечность подъёмного каната коэффициент снижения эксплуатационной долговечности каната определяется при различных условиях. Вначале рассчитывается значение коэффициента снижения долговечности каната при воздействии динамических нагрузок от загрузки и разгрузки скипа, разгона, торможения и равномерного движения подъёмной машины без учета динамических нагрузок от срабатывания предохранительного тормоза. Затем определяется коэффициент снижения долговечности от нагрузок с учетом срабатывания предохранительного тормоза.

Отношение этих коэффициентов р показывает, во сколько раз снизится эксплуатационная долговечность каната при учете периодических срабатываний предохранительных торможений

где £снб. - коэффициент снижения долговечности при воздействии динамических нагрузок без учета нагрузок от предохранительного торможения; ¿снтп. - коэффициент снижения долговечности от нагрузок при срабатывании предохранительного тормоза.

Одно предохранительное торможение в среднем соответствует числу С обычных подъёмных циклов:

где Ттп - средняя периодичность срабатывания предохранительного тормоза в количестве подъёмных циклов.

Расчет снижения эксплуатационной долговечности подъёмного каната по рассматриваемой методике выполнен для конкретной скиповой подъёмной установки по данным регистратора параметров и измерения динамических нагрузок на канат в процессе эксплуатации и при торможении (см. рис. 4).

Анализ информации системы регистрации параметров работы ШПУ показал, что в среднем срабатывание одного предохранительного торможения при скорости движения более 1,5 м/с происходит каждые 300 циклов работы подъёма. Показано, что нагрузки в подъёмном канате, возникающие при срабатывании предохранительного тормоза при спуске порожнего скипа, не достигают величины нагрузок при подъёме груза и просто составляют часть общего нагрузочного цикла «спуск-подъём груза», не оказывая существенного влияния на долговечность каната. Поэтому при определении долговечности каната с учетом влияния предохранительных торможений рассматриваются предохранительные торможения, возникающие только при подъёме груза, которые происходят с периодичностью в 600 подъёмных циклов, то есть 7;п=600.

Из расчета по формуле (18) следует, что в среднем одно предохранительное торможение соответствует С=160 циклам подъёма груза. Таким образом, динамические нагрузки подъёмного каната при срабатывании предохранительного тормоза приводят к значительному снижению срока службы канатов (до 30 %).

Кроме динамических нагрузок при торможении на подъёмный канат воздействуют нагрузки, обусловленные неравномерным поступлением горной массы в скип. В условиях калийных рудников загрузка скипов осуществляется с пульсациями потока руды, что может привести к увеличению динамических усилий в канате. На рис. 9 приведены графики изменения натяжения каната при

р=*с!Ш!_<1)

(17)

(18)

загрузке скипа на весу, полученные с помощью аппаратуры «Тулым». Из рисунка видно, что процесс загрузки скипа сопровождается колебаниями сосуда на канате и дополнительными циклическими нагрузками на канат.

С целью определения влияния пульсирующего характера истечения руды на динамические усилия в подъёмном канате составлена математическая модель, отражающая продольные колебания при загрузке неравномерным пульсирующим потоком. Математическая модель описывается дифференциальным уравнением Мещерского. Математическое описание изменения расхода руды из загрузочного устройства во времени получено на основании анализа работ по исследованию процессов загрузки и разгрузки скипов угольных шахт и наблюдений за процессом загрузки скипов на калийных рудниках.

Скорость падения частиц руды в момент присоединения определяется

выражением

где Уд - скорость падения частиц на некотором расстоянии по вертикали от края загрузочного желоба, м/с; йп(0 - высота свободного падения руды от уровня, где скорость равна У„, до соударения с частицами руды в скипе, м.

.25 _____—9.63

1 Ы*1 8.9$ лф

, г II / Г["

7.25 ! У " 7-02 м

с гачсгекерзгсси |мУс)

/

Рис. 9. Натяжение каната при загрузке скипа на весу

Функция /г„(0 учитывает изменение высоты падения частиц руды вследствие удлинения каната и заполнения кузова скипа. За У0 принята скорость свободного падения частиц на уровне, где находится граница полного заполнения скипа в момент начала загрузки. Высота падения частиц руды определяется по формуле

йп(0 = Л(0 + [/яп-™р(0]-^, (20)

Тр^СК

где тп - масса загружаемой руды, кг; дар(г) - текущее значение массы руды в скипе, кг; ур - плотность руды в скипе, кг/м3; 5СК - площадь кузова скипа, м2.

Наблюдения за процессом загрузки скипов на калийных рудниках показали, что характер пульсаций потока руды из загрузочного бункера в течение всего периода загрузки практически не изменяется, т.е. загрузка скипов происходит с пульсациями, имеющими практически постоянную амплитуду и частоту. Поэтому изменение расхода руды во времени может быть математически описано периодической функцией.

Экспериментально установлено, что динамические напряжения в стенках кузова скипа при истечении сыпучего материала с образованием динамических разгружающих сводов изменяются по синусоидальному закону. Соответственно изменяется и расход горной массы из дозирующего и загрузочного устройств.

Изменение расхода руды может быть представлено аналитически выражением:

6(0 = 0,-6а соя «а,/, (21)

где <20 - постоянная составляющая расхода, кг/с; Qк - амплитуда пульсаций

/ 2л

потока, кг/с; а>п = — - круговая частота пульсации, 1/с, Т - период

пульсаций, с.

Масса руды в скипе определяется как

™Р(0= /6(ОЛ = 6о'-^шюпЛ (22)

Решением полученного дифференциального уравнения численным методом при различных параметрах установлено, что пульсирующий характер потока руды при определенных условиях приводит к существенному повышению динамических усилий в подъёмном канате. Усилия максимальны при соотношении частот пульсаций потока и колебаний порожнего сосуда на канате, равном 0,75-0,84. При существующих параметрах коэффициент динамичности при равномерной загрузке не превышает 1,2, а при загрузке пульсирующим потоком может достигать 1,5.

Расчеты показали, что снижение коэффициента динамичности нагрузок в канате в период загрузки с 1,32 до 1,14 приводит к увеличению долговечности подъёмного каната в 1,2 раза.

В пятой главе разработаны системы контроля параметров шахтных подъёмных установок, обеспечивающие выполнение требований правил безопасности, учет интенсивности работы оборудования подъёмной установки и динамических нагрузок.

Для выполнения требований п. 352 ПБ-03-553-03 разработан перечень основных параметров подъёмных установок, подлежащих регистрации во времени. Этот перечень включает измерение аналоговых параметров:

- скорости движения подъёмных сосудов;

- силы тока подъёмных электродвигателей, в том числе тока динамического торможения или тока возбуждения;

- давления рабочей среды в тормозной системе подъёмной машины.

Для оценки ситуации при возможных отклонениях в работе подъёмной

установки, при определении причин возникновения аварии предусмотрено осуществлять регистрацию следующих параметров:

момента и причины срабатывания предохранительного тормоза (состояния контактов цепи реле ТП);

- состояния конечных выключателей положения подъёмных сосудов;

- состояния реле или конечных выключателей начала замедления сосудов;

- положения предохранительных решеток стволов на приемных площадках;

режима работы подъёмной машины («ревизия», «груз», «оборудование» «ручной» или «автоматический»).

Частота опроса датчиков должна быть не менее 10 Гц. Продолжительность хранения графических архивов - не менее 30 суток.

Приведенный перечень является минимальным. Расшифровка записей регистратора позволяет установить режим работы подъёмной установки, определить причину возникновения аварийных ситуаций, осуществлять контроль выполнения работ по техническому обслуживанию и ремонту. По записи давления рабочей среды в тормозной системе подъёмной машины можно судить о действиях машиниста при торможении, а также о процессе торможения при срабатывании предохранительного тормоза. Положение подъёмных сосудов в шахтном стволе в регистраторе параметров базовой комплектации определяется при обработке архивных записей методом численного интегрирования скорости движения сосудов.

Более точное определение положения подъёмного сосуда в стволе осуществляется за счет применения многооборотного датчика угла поворота вала подъёмной машины.

Оценка состояния тормозной системы производится по записям тормозного усилия, развиваемого исполнительным органом, давления рабочей среды в тормозной системе и задания в устройстве управления тормозом.

Регистратор параметров может осуществлять запись 8 каналов унифицированной блочной системой регулирования привода и позволяет подключаться к любым контрольным ее точкам.

Обеспечение всех требований к регистрации параметров любой шахтной подъёмной установки (барабанной, бицилиндроконической, многоканатной) с

одно- и двухдвигательным приводом постоянного или переменного тока осуществляется разработанным и внедренным в практику эксплуатации шахтных подъёмных установок типорядом регистраторов параметров РПУ-ОЗ.х

Для определения момента и причины срабатывания предохранительного тормоза разработан анализатор защит АнЗ-ОЗ (рис. 10). Он подключается к цепи ТП через защитные резисторы и оптронную гальваническую развязку. При разрыве любого из контактов цепи ТП АнЗ-ОЗ находит номер контакта, фиксирует время разрыва и выводит информацию на табло.

Просмотр сохраненной информации возможен при любом режиме работы, при этом текущий контроль за работой подъёмной установки не прекращается. Запись информации происходит в следующих случаях: после выполнения подъёмной машиной полного цикла, при срабатывании предохранительного тормоза, при переключении режима работы, при отсутствии электропитания более 10 минут и при выходе из программы.

Программное обеспечение РПУ-ОЗ.х позволяет осуществить просмотр как текущей, так и сохраненной (архивной) информации. Для детального просмотра конкретных параметров работы подъёмной установки можно вывести на экран монитора любой подъёмный цикл, записанный в течение последних 30 дней. Предусмотрена возможность масштабирования графиков и получения точных значений просматриваемых параметров (рис. 11).

Рис. 10. Внешний вид анализатора защит АнЗ-ОЗ

При ежегодном испытании шахтных подъёмных установок необходимо измерять кинематические параметры: среднее замедление установки, время холостого хода и время срабатывания тормоза. В соответствии с требованиями статьи 3.6 Федерального закона РФ от 26.06.2008 № 102-ФЗ «Об обеспечении

единства измерений» при осуществлении производственного контроля за соблюдением установленных законодательством Российской Федерации требований промышленной безопасности к эксплуатации опасного производственного объекта необходимо применять средства измерения.

Эта проблема решена внедрением в практику ревизии и наладки подъёмных установок разработанной переносной аппаратуры «Силькан», обеспечивающей измерение величины напряжения и силы постоянного и переменного токов, визуализацию и документирование параметров работы тормозной системы шахтных подъёмных установок и их электроприводов как постоянного, так и переменного тока.

ГИ

3 РС-РПУ - [27 июля 2007 г. 14:28:00 - D:\SWm\Doaiments\Visual Studio 2008\ProjMts\E440\Fües СолигамскХветлз.

Файл Вид Окно Сервис Справка _ 0 X

9 щв 14 44 SH Ф >-< Ф 3 et ± ¥ Ф 1 - Й___

Начало замедления (Реле РЗБ) (Пог ) _/ ,_

Положение ле зого скипа (и) ПУ2 ПР»>Ы» «уверху (РВВ)

28:36.1

29:41.0

30:51.0

Рис. 11. Окно программы просмотра архивов регистратора РПУ-ОЗ.х

Пример обработки результатов испытания тормозной системы шахтной подъёмной установки при подъёме груза с помощью аппаратуры «Силькан» приведен на рис. 12. На рисунке представлены следующие графики:

- сигнал ТП - определяет момент подачи сигнала на предохранительное торможение;

- линейное перемещение (£)- позволяет определить момент остановки подъёмной машины и тормозной путь;

- скорость (V) - значение скорости, вычисленное по данным с датчика перемещения;

— деформации тормозных тяг (€1, £2)- характеризуют изменение тормозного усилия;

— напряжение с тахогенератора ((71) — позволяет качественно сравнить изменение скорости по данным СИ «Силькан» и тахогенератора.

Для определения продолжительности протекания процессов на графиках устанавливаются специальные метки в виде вертикальных линий, отмечающие моменты начала торможения, соприкосновения колодок тормоза с тормозным ободом, срабатывания тормоза и стопорения подъёмной машины. Метки позволяют рассчитать продолжительность холостого хода, время срабатывания тормоза и торможения машины. Установка меток осуществляется специалистами с учетом особенностей работы тормоза, изменения скорости и другой информации.

ив^твзд ¡энипплв пштоя^я иствяяд

31.19 0.7В 1.49 0.00 -56.67 1.06

I! I

Рис. 12. Регистрация и расчет параметров работы тормозной системы

Испытания тормозной системы проводят в два этапа: при неподвижном барабане подъёмной машины определяют время холостого хода и время срабатывания; при движении подъёмной машины с максимальной скоростью определяют все регламентируемые параметры тормозной системы.

По графикам изменения давления на выходе регулятора или в полостях цилиндров рабочего и предохранительного торможения и графикам деформации тяг определяют состояние и исправность работы каждого (левого и правого) тормоза подъёмной машины. По характеру изменения давления оценивается работа первой ступени торможения, выявляется «зависание» поршня в цилиндре и определяются друг ие неисправности.

По характеру нарастания тормозного усилия в тяге исполнительного органа, по моментам касания колодками тормозного обода определяются износ и состояние рычажно-шарнирного механизма исполнительного органа тормоза. После устранения неполадок и проведения наладки тормозной системы проводят повторные испытания.

Высокая точность измерения параметров работы тормозной системы, возможность получения информации непосредственно при выполнении наладочных работ позволяют наладить систему с минимально допустимыми правилами безопасности замедлениями. Снижение замедлений при торможении, ограничение отклонений струны подъёмного каната обеспечивают повышение срока службы оборудования шахтных подъёмных установок.

Проведенными с помощью аппаратуры «Силькан» измерениями на ряде подъёмных установок установлена зависимость деформации элементов металлического копра подъёмной установки от натяжения подъёмных канатов. Графики изменения натяжения канатов при работе подъёмной установки, полученные методом тензометрии, приведены на рис. 13. Графики совмещены с показаниями регистратора параметров РПУ-03.5.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Рис. 13. Деформация балки металлического копра при работе скиповой подъёмной установки

Кроме деформации балки, показанной зеленым цветом и обозначенной «Натяжение лев. каната», на рис. 13 приведены графики изменения положения левого скипа и скорости его движения. В период 1 на рис. 13 левый скип

находится под загрузкой на балках. Подъёмный канат у копрового шкива натянут только собственным весом. В период 2 выбирается слабина каната, канат воспринимает вес груженого скипа. В период дотяжки 3 происходит выход правого (верхнего) скипа из разгрузочных кривых. В этот период натяжение каната остается неизменным. При разгоне системы до максимальной скорости (период 4) канат подвержен максимальному натяжению.

В период подъёма скипа 5 на максимальной скорости длина отвеса каната уменьшается. Соответственно снижается и натяжение каната у копрового шкива. В период основного замедления б натяжение каната уменьшается за счет динамической составляющей поднимаемого скипа. Период 7 - вход скипа в разгрузочные кривые и открывание клапанного затвора - сопровождается увеличением натяжения каната. При загрузке скипа в период 8 натяжение каната снижается до величины веса порожнего скипа. Период дотяжки 9 -выход скипа из разгрузочных кривых. При разгоне системы в период 10 натяжение скипа уменьшается до минимального за счет динамической составляющей опускающегося порожнего скипа. При движении на максимальной скорости (период 11) натяжение каната возрастает за счет веса опускающегося в ствол каната. В период основного замедления 12 натяжение каната возрастает за счет динамической составляющей. В периоды 13 и 14 происходят дотяжка и посадка скипа на балку.

Проведенные исследования показали высокую чувствительность аппаратуры контроля натяжения подъёмных канатов, основанной на методе тензометрии балок шахтного копра, стабильность ее работы в диапазоне температур от - 40 до + 50 ° С. Это позволило разработать аппаратуру контроля натяжения канатов «Тулым», провести промышленные испытания этой аппаратуры и получить разрешение Ростехнадзора на применение её в качестве устройства защиты шахтных подъёмных установок от напуска канатов при зависании подъёмных сосудов в стволе шахты или скипов разгрузочных кривых.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе автором выполнено научное обобщение результатов теоретических, экспериментальных и производственных исследований условий эксплуатации, режимов работы и параметров оборудования шахтных подъёмных установок, разработаны и внедрены на горных предприятиях технические решения, направленные на повышение срока службы канатов и эффективности эксплуатации шахтных подъёмных установок.

Основные выводы и результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На скиповых шахтных подъёмных установках большой производительности существенное влияние на долговечность канатов оказывают их конструктивные особенности. Для скиповых подъёмных установок калийных рудников наиболее предпочтительны восьмипрядные канаты с металлическим

сердечником. Повреждения канатов по условиям эксплуатации могут быть сведены к минимуму при выполнении разработанных «Инструкции по эксплуатации канатов в шахтных стволах калийных рудников ОАО «Уралкалий» и «Технологического регламента эксплуатации шахтных подъёмных установок и стволов ОАО «Сильвинит», учитывающих особенности подъёмных установок.

2. Применение дефектоскопов повышенной точности привело к браковке практически всех канатов по потере сечения. Обрывы проволок у снятых по этой причине канатов, как правило, отсутствуют, а износ проволок является незначительным, что свидетельствует о несовершенстве методики контроля потери сечения и завышенных нормах браковки. Несовершенство методики проявляется при дефектоскопии канатов с номинальной площадью поперечного сечения более 1800 мм2 в связи с различным намагничиванием контрольного отрезка и подъёмного каната. Для увеличения точности измерения потери сечения подъёмных канатов и обнаружения обрывов проволок предложены новый способ неразрушающего контроля канатов и устройство для его осуществления, защищенные патентом РФ.

3. Проведенные по согласованию с Управлением горного надзора Ростехнадзора испытания грузовых канатов с металлическим сердечником при увеличении нормы браковки по потере сечения металла с 15 до 20 % показали, что грузовые канаты с металлическим сердечником могут безопасно эксплуатироваться с потерей сечения до 20 %.

4. Выполненными теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что поперечные колебания струны каната имеют максимальную амплитуду при предохранительном торможении на участке, где частоты собственных колебаний струны каната и сосуда на канате совпадают. Эта амплитуда прямо пропорциональна амплитуде колебаний сосуда на канате в период предохранительного торможения и рассчитывается по выведенной в диссертации формуле, позволяющей на стадии проектирования шахтной подъёмной установки определить зону возможных поперечных колебаний струны каната и исключить возможность соударения каната об элементы конструкции копра и здания подъёмных машин.

5. Для исключения биений струны каната рекомендуется избегать срабатывания предохранительного тормоза при нижнем положении порожнего подъёмного сосуда и верхнем положении груженого. Снижение амплитуды колебаний достигается наладкой тормозной системы на минимальные замедления в пределах, установленных правилами безопасности. В зоне поперечных перемещений струны каната необходимо исключить нахождение деталей с острыми кромками и установить ограждения с радиусом кривизны не менее 15 диаметров каната, футерованные «мягким» материалом.

6. Установлено, что в среднем одно предохранительное торможение соответствует 160 циклам подъёма груза. Динамические нагрузки подъёмного каната при срабатывании предохранительного тормоза приводят к значительному снижению срока службы канатов (до 30 %). Увеличение срока

службы оборудования шахтных подъёмных установок может быть достигнуто за счет снижения количества срабатываний предохранительного тормоза и уменьшения амплитуды динамических нагрузок при торможении. На практике эта задача решается внедрением современной аппаратуры, обеспечивающей определение причин срабатывания предохранительного тормоза - анализаторов защит и аппаратуры для наладки тормозных систем с минимально допустимыми замедлениями.

7. Теоретическими исследованиями динамики каната при загрузке скипов на весу установлено, что пульсации потока руды увеличивают динамические усилия в канате в условиях калийных рудников усилия 1,25 раза. Снижение коэффициента динамичности нагрузок в канате в период загрузки с 1,32 до 1,14 приводит к увеличению долговечности подъёмного каната в 1,2 раза.

8. Разработаны требования к регистраторам параметров шахтных подъёмных установок, включающие минимальный перечень основных параметров, подлежащих регистрации во времени. Регистраторы параметров РПУ-ОЗ.х предназначены для выполнения требований правил безопасности, контроля и диагностики оборудования шахтных подъёмных установок. Аппаратура «Силькан» обеспечивает измерение параметров подъёмной установки, оперативную обработку информации при проведении ревизии, наладки и испытании тормозной системы и привода шахтных подъёмных установок.

9. Аппаратура контроля натяжения канатов шахтной подъёмной установки методом тензометрии деформации балок шахтного копра обеспечивает надежную защиту от напуска каната в ствол и зависания скипа в разгрузочных кривых.

10. Приборы имеют разрешение Ростехнадзора на применение на шахтных подъёмных установках и выпускаются серийно. На 1 января 2013 г. изготовлено 220 регистраторов параметров, 28 комплектов аппаратуры «Силькан» и 2 комплекта аппаратуры «Тулым». Применение разработанных приборов обеспечивает выполнение требований правил безопасности, повышает безопасность и эффективность эксплуатации шахтных подъёмных установок за счет оперативного выявления неисправностей и сокращения времени на техническое обслуживание и ремонт, повышения точности и оперативности измерения параметров при ревизии и наладке подъёмных установок.

11. Внедрение регистраторов параметров РПУ-03.5, защиты от напуска каната в ствол «Тулым» в практику эксплуатации скиповых подъёмных установок ствола №1 рудника СКРУ-3 ОАО «Уралкалий» обеспечило повышение эффективности эксплуатации шахтных подъёмных установок за счет увеличения интенсивности их работы, что позволило увеличить производственную мощность рудника на 1,2 миллиона тонн руды в год. Экономический эффект от внедрения регистратора параметров РПУ-03.5 на одной скиповой подъёмной установке ствола №1 рудника СКРУ-3 ОАО «Уралкалий» составил 13,3 миллиона рублей в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Воробель С. В., Трифаиов Г. Д. Влияние диаграммы скорости на динамические нагрузки в системе «подъёмный сосуд - жесткая армировка» и деформацию рамы подъёмного сосуда // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - № 12 - С. 16-19.

2. ИльинС. Р., ТрифановГ. Д. Динамическая диагностика систем «сосуд-армировка» вертикальных шахтных стволов // Горное оборудование и электромеханика. - 2009. - №8. - С. 29-34.

3. Ильин С. Р., Трифанов Г. Д., Воробель С. В. Комплексные экспериментальные исследования динамики скипов рудоподъёмного ствола // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - № 5. - С. 30-35.

4. Кошкин А. П., Озорнин М. С., Трифанов Г. Д. Роль технологических регламентов в практике проектирования и эксплуатации шахтных подъёмных установок // Горное оборудование и электромеханика. - 2012. -№ 11.-С. 33-38.

5. Кошкин А. П., Трифанов Г. Д. О регламенте технологического процесса эксплуатации шахтных подъёмных установок // Известия вузов Сев. -Кавказ, регион. Технические науки. Спецвыпуск: Проблемы горной электромеханики. - 2005. - С. 132-135.

6. Методические указания по проведению экспертизы промышленной безопасности сосудов шахтных подъёмных установок (РД-15-05-2006). (утв. приказом Ростехнадзора от 26.02.06 № 126). / сост. Г. Д. Трифанов, В. Л. Беляк, Ю. Д. Фирстов, Е. В. Будалин, А. П. Никулин // Безопасность труда в промышленности. - 2006. - № 6. - С. 73-80.

7. Немцов М. В., Трифанов Г. Д. К вопросу о метрологическом обеспечении магнитной дефектоскопии стальных канатов // Горное оборудование и электромеханика. - 2012 .- № 1 .- С. 29-32.

8. Опыт эксплуатации шахтных подъёмных установок, оснащенных регистратором параметров / Г. Д. Трифанов [и др.] // Горное оборудование и электромеханика. —2011 .-№ 12 .- С. 6-11.

9. Совершенствование дефектоскопа для контроля состояния стальных канатов / В. Е. Винокуров, А. А. Князев, А. П. Кошкин, Г. Д. Трифанов // Дефектоскопия. - 1999. - № 6. - С 55-62.

Ю.Степанов А. Г., Ольховиков Ю. П., Трифанов Г. Д. Экспериментальные исследования динамики скипового подъёма // Известия вузов. Горный журнал. - 1982. - № 3. - С. 82-84.

11.Трифанов Г. Д. Наладка тормозной системы шахтных подъёмных установок с помощью аппаратуры «Силькан» // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - №12. - С. 20-23.

12.Трифанов Г. Д. Поперечные колебания струны каната подъёмной установки при предохранительном торможении / Известия вузов. Горный журнал. -1984,-№2. -С. 74-77.

13.Трифанов Г. Д. Повышение эффективности и безопасности эксплуатации шахтных подъёмных установок // Горное оборудование и электромеханика. - 2009. - № 7. - С. 49-51.

14.Трифанов Г. Д., Князев А. А., Трифанов М. Г. Аппаратура контроля натяжения канатов шахтной подъёмной установки «Тулым» // Горное оборудование и электромеханика. - 2012. - № 11. - С. 39-40.

15.Трифанов Г. Д., Кошкин А. П., Воробель С. В. Повышение долговечности шахтных подъёмных канатов калийных рудников // Известия вузов Сев. -Кавказ, регион. Технические науки. Спецвыпуск: Проблемы горной электромеханики. - 2005. - С. 138-142.

16.Трифанов Г. Д., Стрелков М. А. Оценка влияния предохранительного торможения на состояние стального каната шахтной подъёмной установки // Горное оборудование и электромеханика. - 2012. - № 11. - С. 26-32.

17.Трифанов Г. Д., Панчеха П. Г. Опыт эксплуатации шахтных подъёмных установок в ОАО «Уралкалий» // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 11. - С. 250-252.

18.Эксплуатация регистратора параметров шахтной подъёмной установки / Г. Д. Трифанов, А. А. Князев, А. П. Кошкин, А. Н. Минькин // Безопасность труда в промышленности. - 2004. - № 7. - С. 19-20.

Авторские свидетельства, патенты

19.А.С. 1155510 СССР Бункер-дозатор рудничного подъёмника / А. Г.Степанов, А. Н. Мосов, Г. Д. Трифанов [и др.]; опубл. 12.10.1985. Бюл. № 18.

20.Пат. № 2460995 Рос. Федерация, МПК С0Ш 27/00. Способ неразрушающего контроля площади поперечного сечения по металлу, обнаружения локальных дефектов, измерения шага свивки прядей, координаты вдоль оси канатов из стальной ферромагнитной проволоки и устройство для его осуществления / М. В. Немцов, Г. Д. Трифанов, А. А. Князев (заяв. и патентооблад. ООО «Региональный канатный центр»), - №2010150214, заявл. 07.12.2010; опубл. 10.09.2012. Бюл. № 25. - 10 е.: ил.

Статьи, опубликованные в научных сборниках

21. Определение ресурса стальных канатов рудничной подъёмной установки / Д. В. Нижанковский, Г. Д. Трифанов, А. А. Князев, А. П. Кошкин // Стальные канаты: сб. науч. тр. № 2 / Междунар. ассоциация исследователей стальных канатов (МАИСК). - Одесса: Астропринт, 2001. - С. 247-249.

22. Трифанов Г. Д. Сопряженное моделирование динамических процессов при наладке шахтных подъёмных установок с помощью аппаратуры «Силькан» //

Известия Урал. гос. горн, ун-та. Вып. 27-28. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ,

2012. - С. 88-92.

23.Трифанов Г. Д. Установление условий гарантии на стальные канаты // Стальные канаты: сб. науч. тр. №4 / Междунар. ассоциация исследователей стальных канатов (МАИСК). - Одесса: Астропринт, 2005. - С. 211-215.

24.Трифанов Г. Д., Князев А. А. Внедрение приборов безопасности на действующих шахтных подъёмных установках // Рудник будущего. - Пермь: ЗУМК-Инжиниринг, 2010. - №4. - С. 53-55.

25.Трифанов Г. Д., Кошкин А. П. Возможности увеличения срока службы шахтных подъёмных канатов // Стальные канаты: сб. науч. тр. № 3 / Междунар. ассоциация исследователей стальных канатов (МАИСК). -Одесса: Астропринт, 2003. - С. 220-223.

26.Трифанов Г. Д., Кошкин А. П., Харламов Г. А. Опыт эксплуатации канатов с металлическим сердечником на скиповых подъёмных установках ОАО «Уралкалий» // Стальные канаты: сб. науч. тр. № 2 / Междунар. ассоциация исследователей стальных канатов (МАИСК). - Одесса: Астропринт, 2001. -С. 239-246.

27.Трифанов Г. Д., Кузнецов В. С. Определение предельных амплитуд поперечных колебаний струны каната // Стальные канаты: сб. науч. тр. № 6 / Междунар. ассоциация исследователей стальных канатов (МАИСК). -Одесса: Астропринт, 2008. - С. 108-114.

28.Трифанов Г. Д., Кузнецов В. С. Поперечные колебания струны каната шахтной подъёмной установки при торможении // Стальные канаты: сб. науч. тр. № 7 / Междунар. ассоциация исследователей стальных канатов (МАИСК). - Одесса: Еколопя, 2009. - С. 71-76.

Руководящие документы

29.Инструкция по эксплуатации канатов в шахтных стволах калийных рудников ОАО «Уралкалий» / сост. Г. Д. Трифанов [и др.]; ОАО «Уралкалий». - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехи, ун-та,

2013.-98 с.

30.Методические указания о порядке проведения испытаний стальных канатов на канатно-испытательных станциях (РД-15-12-2007) (утв. приказом Ростехнадзора от 31.07.07 № 522). Сер. 05. Вып. 16 / сост. Ш. М. Тугуз, В. Л. Беляк, В. И. Завгородний, С. И. Подображин, Г. Д. Трифанов; ОАО «НТЦ по промышленной безопасности». - М., 2007. - 100 с.

31.Технологический регламент эксплуатации шахтных подъёмных установок и стволов ОАО «Сильвинит» / сост. А. П. Кошкин, Г. Д. Трифанов [и др.]; ОАО «Сильвинит». - Соликамск, 2010. - 110 с.

Подписано в печать 30. 09. 2013. Формат 60 х 90 / 16. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 210/2013.

Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета. Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр. 29, к. 113.

ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

ТРИФАНОВ ГЕННАДИЙ ДМИТРИЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ КАНАТОВ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

05201450534

Научный консультант: доктор технических наук, доцент Попов Юрий Владимирович

Пермь-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ УСТАНОВОК........................13

1.1. Оценка состояния элементов шахтных подъёмных установок.................14

1.2. Состояние исследований динамики шахтных подъёмных установок......25

1.3. Поперечные колебания струны подъёмного каната...................................31

1.4. Системы контроля состояния элементов механического оборудования шахтных подъёмных установок..................................................37

1.5. Цели и задачи диссертационной работы......................................................44

Глава 2. АНАЛИЗ ПРИЧИН СНЯТИЯ КАНАТОВ ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ УСТАНОВОК.................................................................................46

2.1. Параметры подъёмных установок калийных рудников.............................47

2.2. Основные причины снятия канатов с эксплуатации...................................51

2.3. Влияние параметров дефектоскопа на браковку канатов большого сечения....................................................................................................................65

2.4. Исследование состояния канатов, снятых по результатам дефектоскопии.......................................................................................................82

2.5. Испытания грузовых канатов с металлическим сердечником

с повышенной нормой браковки..........................................................................85

Выводы....................................................................................................................96

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ УСТАНОВОК ПРИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОМ ТОРМОЖЕНИИ.......................97

3.1. Исследование совместных продольных колебаний подъёмного сосуда и поперечных колебаний струны каната

при предохранительном торможении..................................................................97

3.2. Поперечные колебания струны каната при предохранительном торможении..........................................................................................................105

3.3. Экспериментальные исследования совместных колебаний подъёмного сосуда и струны каната..................................................................112

3.4. Амплитуда максимальных поперечных колебаний струны.....................121

Выводы..................................................................................................................126

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДЪЁМНЫХ УСТАНОВОК..........127

4.1. Оценка влияния предохранительных торможений на долговечность стального каната шахтной подъёмной установки............................................129

4.2. Исследование динамических нагрузок при загрузке скипов на весу......143

4.3. Влияние динамических усилий при загрузке скипов на долговечность канатов........................................................................................160

Выводы..................................................................................................................164

Глава 5. РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ И НОРМАТИВНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЪЁМНЫХ УСТАНОВОК.......166

5.1. Регистраторы параметров шахтных подъёмных установок...................167

5.2. Аппаратура «Силькан» для наладки шахтных подъёмных установок.. 184

5.3. Аппаратура контроля натяжения шахтных подъёмных канатов...........194

«Тулым»................................................................................................................194

5.4. Технологические регламенты эксплуатации шахтных подъёмных установок..............................................................................................................203

5.5. Технико-экономическое обоснование применения систем контроля параметров шахтных подъёмных установок для повышения

эффективности их эксплуатации........................................................................208

Выводы..................................................................................................................212

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................214

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................218

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................238

Приложение 1.......................................................................................................238

Приложение 2.......................................................................................................241

Приложение 3.......................................................................................................246

Приложение 4.......................................................................................................254

Приложение 5.......................................................................................................255

Приложение 6.......................................................................................................260

Приложение 7.......................................................................................................265

Приложение 8.......................................................................................................270

ВВЕДЕНИЕ

Добыча и переработка полезных ископаемых продолжают оставаться одним из основных направлений экономического развития Российской Федерации. Техническое состояние горно-шахтного оборудования и эффективность его эксплуатации оказывают определяющее влияние на деятельность отдельных предприятий и горнодобывающей отрасли в целом. Ключевая роль в успешной деятельности горного предприятия принадлежит шахтным подъёмным установкам (ШПУ), с помощью которых обеспечиваются выдача полезного ископаемого, перемещение людей и грузов. От надежности работы этого важнейшего звена технологической цепи зависит бесперебойность работы всего горнодобывающего предприятия, а практически любая аварийная ситуация на подъёме ведет к остановке предприятия.

В последние годы парк шахтных подъёмных машин сильно состарился. Срок службы большинства из них превышает 25 лет. Такой же срок службы имеют привод шахтных подъёмных машин, система управления этим приводом, оборудование шахтного ствола, стволовая сигнализация и другие жизненно важные элементы шахтных подъёмных установок.

В этих условиях актуальной является задача повышения эффективности эксплуатации шахтных подъёмных установок обеспечением их безопасной эксплуатации при наибольшем использовании ресурса подъёмных машин и других элементов подъёмных установок. Решение этой задачи возможно за счет применения современных аппаратно-программных комплексов контроля состояния оборудования шахтных подъёмных установок, обеспечивающих оперативную техническую диагностику и позволяющих в режиме реального времени оценивать возможность безаварийной эксплуатации шахтных подъёмных установок. Для успешного внедрения таких комплексов необходимо разработать требования к системам непрерывного контроля параметров шахтных подъёмных установок.

Среди основных элементов шахтного подъёма, от надежности которых зависит безопасность его эксплуатации, являются подъёмные канаты. Однока-натные ШПУ большой производительности оснащены подъёмными канатами с разрывным усилием более 3 600 кН. Они поднимают скипы с грузом общей массой до 52 т.

Применение канатов современных конструкций, разработка мероприятий по обеспечению их безопасной эксплуатации при наибольшем использовании их ресурса позволяют повысить эффективность работы шахтных подъёмных установок. В диссертации приведены результаты работы автора по обеспечению безопасной эксплуатации шахтных подъёмных установок, подъёмных канатов, внедрению систем контроля режимов работы, обеспечению ревизии и наладки на современном уровне.

Диссертационная работа основана на исследованиях, проведенных под руководством автора в 1981-2013 гг. в Пермском государственном техническом университете (теперь - ПНИПУ) по хозяйственным договорам с ОАО «Уралкалий» и ОАО «Сильвинит», а также в соответствии с соглашением с Минобрнауки РФ № 14.В37.21.1097 от 13.09. 2012 г о предоставлении гранта в форме субсидии на проведение научных исследований в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Объект исследования - одноканатные шахтные подъёмные установки большой производительности.

Целью работы является повышение срока службы канатов и эффективности эксплуатации шахтных подъёмных установок на основе разработки научных основ, приборной базы, нормативной документации и комплекса организационно-технических мероприятий.

Идея работы заключается в использовании возможностей непрерывного контроля в режиме реального времени параметров работы шахтных подъёмных

установок и динамических процессов в их элементах при разработке приборной базы, нормативной документации, организационно-технических мероприятий для надежного обеспечения эффективности и безопасности эксплуатации шахтных подъёмных установок.

Методы исследований включают критический анализ практического опыта эксплуатации ШПУ, постановку и проведение теоретических и экспериментальных исследований, базирующихся на применении основных положений математики, физики и механики, проектирование приборной базы и средств ее использования, формулирование основных требований нормативной документации и организационно-технических мероприятий.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Нормы браковки по потере сечения грузовых шахтных подъёмных канатов с металлическим сердечником могут быть увеличены с 15 до 20 % без снижения безопасности их эксплуатации.

2. Амплитуда поперечных колебаний струны каната прямо пропорциональна величине замедления предохранительным торможением и достигает максимальных значений при совпадении частот свободных продольных колебаний сосуда на канате и поперечных колебаний струны каната после остановки органов навивки машины.

3. Повышение срока службы подъёмных канатов шахтных подъёмных установок может быть достигнуто путем наладки тормозной системы на минимально допустимые замедления при торможении, сокращения количества срабатываний предохранительного тормоза, устранения пульсирующего характера истечения руды при загрузке сосудов.

4. Оценку влияния динамических нагрузок на долговечность подъёмных канатов на действующих подъёмных установках следует основывать на исходных данных, полученных аппаратно-программным комплексом, устанавливаемом на подъёмном сосуде.

5. Разработанные средства непрерывного контроля параметров шахтных подъёмных установок могут обеспечить повышение интенсивности их работы.

6. Защита от зависания скипов в разгрузочных кривых и напуска каната в ствол эффективно может быть обеспечена методом тензометрии деформации балок металлических шахтных копров.

Научная новизна работы

1. На основе статистической обработки результатов наблюдений за эксплуатацией шахтных подъёмных канатов с 1990 по 2012 г. установлены основные причины выхода канатов из строя и снятия их с эксплуатации.

2. Исследованы факторы, оказывающие наибольшее влияние на долговечность канатов, и обоснована возможность увеличения их срока службы.

3. Установлены закономерности совместных продольных колебаний сосуда на канате и поперечных колебаний струны каната при предохранительном торможении, на основании которых предложен и разработан метод определения зоны максимальных поперечных колебаний струны подъёмного каната.

4. Разработана математическая модель подъёмной установки, учитывающая ее текущие фактические параметры и обеспечивающая контроль динамических процессов в режиме реального времени.

5. Исследовано влияние динамических нагрузок при предохранительном торможении и при загрузке сосуда пульсирующим потоком на долговечность подъёмного каната. Установлено, что в среднем воздействие одного предохранительного торможения на канат соответствует воздействию 160 циклов подъёма груза.

6. Экспериментально установлена зависимость деформации элементов металлического копра подъёмной установки от натяжения подъёмных канатов и обоснована возможность реализации защиты от напуска каната в стволе методом тензометрии.

7. Обоснована технико-экономическая целесообразность применения средств контроля параметров шахтных подъёмных установок для повышения эффективности их эксплуатации.

Практическое значение работы

1. Разработаны мероприятия по увеличению срока службы канатов и исключению их повреждения в процессе эксплуатации с учетом накопленного опыта эксплуатации канатов различной конструкции и различных производителей.

2. Разработаны рекомендации по исключению опасных поперечных ударов подъёмного каната об элементы конструкций копра и здания подъёмной машины.

3. Внедрены в практику проектирования и эксплуатации шахтных подъёмных установок разработанные технологические регламенты их эксплуатации, инструкции по эксплуатации подъёмных канатов, методические указания по проведению испытаний стальных канатов и экспертизы промышленной безопасности подъёмных сосудов шахтных подъёмных установок.

4. На основании сформулированных требований к регистраторам параметров шахтных подъёмных установок осуществляется серийный выпуск типо-ряда регистраторов РПУ-ОЗ.х. Экономический эффект от внедрения регистратора параметров РПУ-03.5 на одной скиповой подъёмной установке ствола №1 рудника СКРУ-3 ОАО «Уралкалий» составил 13,3 миллиона рублей в год.

5. Для снижения количества повторных срабатываний предохранительного тормоза разработан и внедрен в практику работы подъёмных установок анализатор защит АнЗ-З, являющийся элементом регистраторов параметров РПУ-ОЗ.х.

6. В практику деятельности наладочных организаций внедрена аппаратура «Силькан», обеспечивающая повышение точности измерений, оперативную обработку информации и документирование при проведении реви-

зии, наладки и испытания тормозной системы и привода шахтных подъёмных установок.

7. Разработана аппаратура контроля натяжения канатов шахтной подъёмной установки «Тулым», обеспечивающая защиту от напуска каната в ствол и защиту от зависания скипов в разгрузочных кривых.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием методов классической механики при математическом моделировании и современных средств измерения при проведении экспериментальных исследований, большой практикой эксплуатации шахтных подъёмных установок с применением разработанных приборов контроля их параметров и нормативных документов. При этом относительная ошибка экспериментальных данных не превышает 7-9% при 90%-м уровне сходимости экспериментальных данных с расчетными.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы положены в основу разработки и внедрения следующих серийно выпускаемых приборов безопасности:

- регистраторы параметров подъёмной установки РПУ-ОЗ.х общим числом 220 штук смонтированы и находится в эксплуатации на шахтных подъёмных установках 24 предприятий России, Казахстана и Белоруссии (разрешение Ростехнадзора № РРС 00-39112);

- аппаратура «Силькан» внедрена в практику проведения ревизии, наладки и испытания шахтных подъёмных установок 10 предприятий России, Казахстана, Белоруссии и Украины (разрешение Ростехнадзора № РРС 00-39113);

- разработана аппаратура контроля натяжения канатов шахтной подъёмной установки «Тулым», обеспечивающая защиту от напуска каната в ствол и защиту от зависания скипов в разгрузочных кривых (разрешение Ростехнадзора № РРС 00-049481). Аппаратура внедрена на двух подъёмных установках.

Основные положения диссертационной работы реализованы при разработке следующих нормативных документов: «Инструкция по эксплуатации канатов в шахтных стволах калийных рудников ОАО «Уралкалий», «Методические указания по проведению экспертизы промышленной безопасности сосудов шахтных подъёмных установок (РД-15-05-2006), «Методические указания о порядке проведения испытаний стальных канатов на канатно-испытательных станциях (КИС) (РД-15-12-2007), «Технологический регламент эксплуатации шахтных подъёмных установок и стволов ОАО «Сильвинит».

Результаты диссертационной работы реализованы в практике эксплуатации шахтных подъёмных установок в России, Казахстане и Белоруссии, при пуске в эксплуатацию, ревизии и наладке шахтных подъёмных установок, при проведении экспертизы промышленной безопасности. Учебное пособие «Расшифровка и анализ записей регистраторов параметров шахтных подъёмных установок» предназначено для студентов технических вузов специальностей 150402 «Горные машины и оборудование» и инженерно-технических работников горнодобывающих предприятий, наладочных и ремонтных организаций.

Апробация работы

Диссертационная работа и основные ее положения изложены, обсуждены и получили одобрение на научно-технических конференциях Пермского политехнического института (г. Пермь, 1979- 1984 ,1991 гг.), Пермского государственного технического университета (г. Пермь, 1995, 1996, 1998, 2001 — 2004, 2007 - 2011 гг.), научно-технических конференциях и семинарах Горного института УрО РАН, (