Динамика каната рудничных подъемных установок при предохранительном торможении в загрузке скипов и повышение эффективности их работы

А к т у, а л ь н о с т ь р, а б о т ы. Одной из важнейших задач, поставленных перед горнодобывающей промышленностью, является повышение эффективности эксплуатации всего горношахтного оборудования, в том числе и рудничного подъема, как основного средства выдачи полезного ископаемого на поверхность. Производственная мощность большинства калийных рудников и рудников черной металлургии составляет 7−10 и более млн. тонн в год. Глубина залегания полезного ископаемого на многих из них не превышает 300−700 м. При этих глубинах подъема применение мощных многоканатных подъемных машин без коренной их реконструкции невозможно. Поэтому скиповые подъемные установки этих рудников оснащены мощными барабанными машинами, имеющими предельную для одноканатного подъема производительность. Установки работают по 20 и более часов в сутки. Срок службы канатов и других элементов подъемных установок меньше нормативного. В этих условиях актуальной является задача увеличения долговечности канатов, повышения эффективности работы подъемных установок. Одна из причин снижения срока службы канатов заключается в износе наружных проволок прядей о дополнительные ролики, предназначенные для ограничения колебаний струны каната на участке между барабаном машины и направляющим шкивом. По этой причине некоторые установки калийных рудников работают без ограничительных роликов. Возможность безопасной эксплуатации этих установок в новых условиях до настоящего времени не обоснована. К снижению долговечности подъемных канатов приводят так же динамические нагрузки, воздействующие на канат в рабочих режимах, в частности, при загрузке скипов. Ц е л ь р, а б о т ы. На основе исследований динамики каната рудничных подъемных установок при предохранительном торможении и загрузке скипов разработать комплекс мероприятий по повышению эффективности их работы путем увеличения долговечности подъемных канатов и совершенствования загрузочных устройств. И д е я р, а б о т ы. Обосновать возможность эксплуатации подъемных установок без ограничительных роликов и разработать устройство, исключающее динамическое сводообразование в бункер-дозаторах при загрузке скипов. Н о в ы е п о л о ж е н и я, защищаемые в диссертации и разработанные лично соискателем.1. Установлено впервые, что амплитуда максимальных колебаний струны каната прямо пропорциональна амплитуде ускорений (замедлений) подъемного сосуда в период предохранительного торможения. Амплитуда колебаний струны каната достигает максимума после остановки органов навивки машины.2. Установлено, что пульсации потока руды, поступающей в скип, увеличивают динамические усилия в подъемном канате в период загрузки.3. Устройство бункер-дозатора, отличающееся тем, что футеровка двух противоположных стенок сопряжения и днища загрузочного желоба бункера выполнена из материала с низким коэффициентом трения. Применение предложенной футеровки позволяет исключить пульсации потока руды и сократить время загрузки скипа. О б о с н о в, а н н о с т ь и д о с т о в е р н о с т ь научных положений, выводов и рекомендаций. Закономерности совместных поперечных колебаний струны подъемного каната и продольных колебаний сосуда на канате при предохранительном торможении и влияние пульсирующего характера потока руды при загрузке на динамические усилия в подъемном канате установлены теоретическими исследованиями на ЭВМ математической модели подъемной установки, составленной по уравнениям Лагранжа методом обобщенных координатой экспериментальными исследованиями на действующей подъемной установке. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает 20%.Н, а у ч н, а я н о в и з н, а. Установлены закономерности совместных продольных колебаний сосуда на канате и поперечных колебаний струны каната при предохранительном торможении, на основании которых получены формулы для расчета амплитуды максимальных колебаний струны каната и проверки возможности выхода каната из желоба копрового шкива и шкива трения. Определены динамические усилия в подъемном канате с учетом пульсирующего характера поступления руды в скип. Получена формула для расчета амплитуды максимальных колебаний струны каната. Предложено устройство бункер-дозатора, исключающее динамические сводообразования при истечении руды. Выполнена модернизация двух бункер-дозаторов действующей подъемной установки, которая позволила повысить производительность подъема. Р е, а л и з, а ц и я р, а б о т ы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований поперечных колебаний струны каната при предохранительном торможении приняты МакНИИ и будут использованы при разработке новой редакции § 364 Правил технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт. Рекомендации по модернизации бункер-дозаторов применением футеровки из эмалированных листов внедрены на действующей подъемной установке рудника Второго Березниковского рудоуправления ПО «Уралкалий» с экономическим эффектом II тыс.руб. в год. I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ I. I* Анализ работ по исследованию динамики каната рудничных подъемных установок Рудничные подъемные установки представляют собой сложные технические системы, состоящие из элементов с большими сосредоточенными массами, соединенными между собой упругими канатами* Наличие упругих элементов в системе приводит к возникновению колебаний и дополнительных усилий в них, Возбуждение колебаний в системе возможно в переходных режимах, при равномерном движении сосуда в стволе, при торможении системы, а также при загрузке сосуда* Амплитуда колебаний зависит от соотношения масс, участвующих в колебаниях, жесткости упругих элементов и характера внешнего воздействия на систему. От амплитуды продольно-поперечных колебаний подъемных канатов зависит безопасность эксплуатации подъемной установки, долговечность ее элементов* Учет закономерностей протекания колебательных процессов позволяет осуществлять более рациональное проектирование новых подъемных установок и модернизацию действующих* Поэтому вопросам исследования динамики каната рудничных подъемных установок посвящены работы многих советских ученых* Профессором Ф. В* Флоринским / 63 / исследованы динамические усилия в канате при предохранительном торможении и определена величина предельного замедления, недопуокающего набегание сосуда на канат, с учетом длины каната, скорости движения сосудов в момент начала торможения и других факторов. Им определена величина динамических нагрузок в канате при загрузке. В работе / 64 / исследованы поперечные колебания струны подъемного каната. Академиком Г. Н. Савиным и доктором физ.-мат. наук О. А. Горошко / 40 / исследованы динамические нагрузки в канатах с учетом изменения их длины, сил кручения, проскальзывания на барабане и различных режимов работы подъема* Доктором техн. наук E.G. Траубе / 52 / исследовано влияние тормозного устройства и различных систем управления тормозом на динамику подъемной установки" Доктором техн. наук А. Г. Степановым / 46−48 / исследована динамика подъемной установки при предохранительном программном торможении с учетом действительных тормозных характеристик, определен закон изменения тормозного усилия, необходимого для уменьшения динамических нагрузок в груженой ветви каната. Доктором техн. наук В.й. Белобровым / 5 / выполнены исследования подъемной установки с учетом динамики пневматических и гидравлических тормозов, определено влияние параметров тормоза на динамические нагрузки в подъемных канатах. Проведенные исследования по динамике каната подъемных установок показывают, что процесс предохранительного торможения является одним из наиболее тяжелых при эксплуатации подъемных установок. Динамические усилия, возникающие в канатах при торможении, оказывают существенное влияние на их долговечность. Профессор З. Бэр в работе / 67 / показал, что при снижении динамических нагрузок при предохранительном торможении срок службы подъемных канатов увеличивается в 2 раза. Кроме нагрузок, действующих при предохранительном торможении, подъемный канат в течение каждого цикла подъема испытывает целый комплекс динамических нагрузок, возникающих при пуске и разгоне машины, торможении ее в конце подъема, при загрузке и разгрузке скипов. Как показали исследования 8.М. Федоровой и О. И. Кургана / 61 /, динамические нагрузки в период загрузки скипа существенно снижают долговечность канатов. Установлено, что снижение динамических нагрузок в канатах в период загрузки приводит к увеличению их долговечности на 45% / 25 /• Впервые величина динамических усилий в канатах при загрузке скипов на весу была определена в работах Ф. В. Флоринского, Г. Н. Савина и О. А, Горошко / 6 3, 40 /. В целом эти работы посвящены исследованию динамики шахтного подъемного каната в основных режимах работы, поэтому главное внимание здесь уделялось математическому описанию динамики канатов. При исследовании загрузки скипа на весу канат рассматривался как упругая весомая нить постоянной длины. Динамические усилия при таких допущениях определяются решением дифференциальных уравнений в частных производных. Учитывая, что загружаемый подъемный сосуд является телом переменной массы, в связи с чем одно из граничных условий описывается неоднородным дифференциальным уравнением с переменными коэффициентами, решение задачи о динамике каната при загрузке представляет большие трудности. Поэтому в работах / 6 3, 40 / величина динамических усилий при загрузке определена при условии, что загрузка производится с постоянным расходом из бункера и присоединение частиц в скипе происходит с нулевой скоростью. Полученные при этих допущениях величины динамических усилий не превышают усилий в период разгона подъемной машины. Исследования динамики каната при загрузке сосуда, выполненные О. А. Залесовым / 39 /, В. И. Дворниковым и А. В. Журбой / 9 /, учитывают скорость присоединения груза в скипе и изменение этой скорости в результате заполнения скипа и удлинения каната. Расход руды из дозирующего бункера принят постоянным. Подъемный канат в этих работах представлен упругой невесомой нитью. Масса каната приведена к сосредоточенной массе сосуда. Результаты исследований показали, что динамические усилия в подъемных канатах при интенII сивной загрузке скипа, когда продолжительность загрузки не превышает 2,5 периода собственных колебаний груженого сосуда, могут достигать 1,5 статических усилий. Такое соотношение между продолжительностью загрузки и периодом собственных колебаний сосуда на канате возможно на установках с большегрузными скипами, имеющих большую глубину подъема. Выполненные исследования не учитывают закономерностей истечения горной массы из загрузочного устройства. За последнее время в литературе опубликован ряд исследований, посвященных вопросам загрузки и разгрузки шахтных скипов / 15, 18, 30 /• Эти работы являются продолжением теоретических исследований процессов истечения насыпных грузов, изложенных в трудах Р.Л. 8енкова, Р. Квапила и других авторов / 13, 20, 21 /.В основу большинства исследований положена гипотеза о динамическом разгружающем своде, высказанная Г. И. Покровским и А.И.^фьевым / 35 /. Динамический разгружающий свод образуется в зоне выпускного отверстия при движении материала в результате его уплотнения. Выше динамического свода происходит движение частиц, находящихся во взаимном контакте. С нижней, вогнутой стороны динамического свода начинается свободное падение частиц, вследствие чего контакты между ними нарушаются. Таким образом, динамический свод является регулятором расхода сыпучего материала из бункера, обеспечивающим независимость скорости истечения насыпного груза от высоты его столба в бункере. Скорость истечения определяется диаметром выпускного отверстия и свойствами насыпного груза. Повышение скорости истечения позволяет сократить паузу между подъемами, т. е. увеличить производительность подъемной установки / 55 /.Исследованиями А. П. Мищенко и В. П. Нечаева / 30 /, профессора З. М. Федоровой и А. С. Сидаша / 62 / установлено, что при разгрузке скипов угольных шахт также наблюдается явление динамического сводообразования. Истечение сыпучего материала из бункера при образовании динамических разгружающих сводов характеризуется периодическим изменением расхода / 30 /. Очевидно, что неравномерная, с пульсациями потока руды, загрузка скипов может привести к увеличению динамических усилий в канате. Однако сведений об исследованиях этого влияния в литературе не приводится. Наблюдения процесса загрузки скипов на калийных рудниках показывают, что поток руды при загрузке имеет явно выраженный пульсирующий характер. Поэтому необходимы исследования влияния характера потока руды на величину динамических усилий в канате и его долговечность.

Выводы.

I. Повышение плавности и скорости истечения руды из дозирующих бункеров может быть достигнуто применением футеровки из материалов с низким коэффициентом трения.

2. Наибольший эффект увеличения скорости истечения достигается при футеровке материалом с низким коэффициентом трения двух противоположных стенок сопряжения и днища загрузочного желоба бункер-дозатора,.

3. Применение футеровки из эмалированных листов на руднике БПКРУ-2 ПО «Уралкалий» позволило сократить паузу между подъемами, что увеличило производительность подъемной установки, и обеспечить загрузку скипов равномерным потоком.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных исследований решен комплекс теоретических и экспериментальных вопросов, направленных на повышение эффективности работы рудничных подъемных установок.

По работе сделаны следующие выводы.

1. Максимальные поперечные колебания струны каната возбуждаются при предохранительном торможении машины на участке, где частоты собственных колебаний сосуда на канате и струны каната совпадают. Колебания струны достигают максимума после стопоре-ния органов навивки машины.

2. Амплитуда максимальных поперечных колебаний струны каната прямо пропорциональна амплитуде колебаний сосуда на канате в период предохранительного торможения. Она определяется формулами (2.27) и (2.28). По этим формулам можно вычислить границы перемещения любой точки каната струны.

3. При определении предельной длины струны каната необходимо учитывать колебания, возможные при предохранительном торможении, и производить проверку возможности выхода каната из желоба копрового шкива по формуле (2.38).

Действующие подъемные установки калийных рудников, имеющие длины струны до 80 м и угол наклона более 30°, могут работать без ограничительных роликов. Эксплуатация подъемных установок без ограничительных роликов позволяет увеличить срок службы подъемных канатов.

5. Пульсации потока руды из загрузочного устройства увеличивают динамические усилия в канате. Для условий калийных рудников максимальный коэффициент динамичности при загрузке неравномерным потоком может достигать 1,5.

6. Равномерная загрузка скипов позволяет снизить динамические усилия в канате и сократить время загрузки. Для установок калийных рудников максимальный коэффициент динамичности при загрузке равномерным потоком не превышает 1,2.

7. Пульсирующий характер потока руды, поступающей в скип, обусловлен динамическим сводообразованием при истечении руды из бункер-дозатора,.

8. Явление динамического сводообразования при истечении руды может быть устранено футеровкой материалом с низким коэффициентом трения двух противоположных стенок сопряжения и днища загрузочного желоба бункер-дозатора.

9. Футеровка из эмалированных листов установлена в бункер-дозаторах ствола № 2 рудника БПКРУ-2 ПО «Уралкалий». Модернизация бункер-дозаторов позволила сократить паузу между подъемами на 12,5%, увеличить производительность подъема на 2,5%. Экономический эффект модернизации равен II (одиннадцать) тыс. рублей в год.