Обоснование основных параметров вертикальных подъёмных установок с резинотросовыми тяговыми органами

Актуальность работы. Важную роль в эксплуатации подземных горных предприятий (шахт, рудников) и строительстве подземных сооружений различного назначения играют стационарные подъёмные установки (ПУ). На современных горнодобывающих предприятиях они являются наиболее металлоёмким и энергоёмким оборудованием. От их эффективной работы во многом зависит производительность предприятия, а также безопасность горнорабочих.

При эксплуатации ПУ предъявляются высокие требования к их надёжности, долговечности и безопасности. Фактический срок службы ПУ, как правило, совпадает со сроком службы горных предприятий.

Важнейшими элементами ПУ являются подъёмные канаты, требования к которым постоянно возрастают, особенно с ростом мощности горных предприятий и темпов строительства подземных сооружений. Сравнительно короткий срок службы подъёмных канатов повышает материальные затраты, связанные с их заменой и простоями предприятий. Поэтому повышение технического ресурса тяговых органов ПУ является весьма актуальной и требующей разрешения проблемой.

Актуальность работы определяется также необходимостью совершенствования отечественных ПУ в связи с их более низкими техническим уровнем и эффективностью по сравнению с лучшими зарубежными ПУ, техническим прогрессом и требованиями современного горного производства и строительства подземных сооружений.

Настоящая работа посвящена обоснованию целесообразности замены стальных подъёмных канатов резинотросовыми лентами и определению основных параметров ПУ с резинотросовыми ленточными тяговыми органами (ЛТО), что требует корректировки параметров таких ПУ в соответствии с изменением характеристик тягового органа.

В связи с этим обоснование основных параметров вертикальных подъёмных установок с резинотросовыми тяговыми органами является актуальной научной задачей.

Цель работы заключается в установлении эффективности ПУ при замене стальных подъёмных канатов резинотросовыми лентами и в обосновании основных параметров вертикальных ПУ с резинотросовыми ЛТО.

Основная идея работы — улучшение технических характеристик вертикальных ПУ за счёт замены стальных подъёмных канатов резинотросовыми лентами.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

— применение на ПУ резинотросовых ЛТО взамен стальных канатов позволяет в 2−4 и более раза уменьшить диаметры приводных барабанов подъёмных машин, снизить массивность подвижной системы ПУ, особенно при небольшой высоте подъёма, а также значительно увеличить срок службы тягового органа;

— разработанная трёхмассовая математическая модель вертикальной ПУ отражает основные особенности и характеристики переходных процессов при пуске и торможении при использовании в качестве тяговых органов как резинотросовых лент, так и стальных канатов и учитывает нелинейный характер изменения коэффициента жёсткости тяговых органов и величин движущихся масс при движении подъёмных сосудов;

— перераспределение величин движущихся масс между тяговым органом и приводом подъёмной машины при замене стальных канатов резинотросовыми лентами позволяет уменьшить динамические нагрузки на привод в процессе пуска ПУ с ЛТО;

— в процессе центрирования ленты изменением угла наклона оси приводного барабана без применения дополнительных центрирующих устройств существует критическое максимальное значение этого угла, при котором происходит срыв ленты с поверхности барабана. Величина критического угла зависит от типа барабана, коэффициента сцепления ленты с барабаном и натяжений ветвей ленты.

Научное значение работы заключается в:

• разработке математической модели динамики вертикальной ПУ с учётом переменных коэффициента жёсткости тягового органа и массивности подъёмной системы;

• научном обосновании целесообразности применения резинотросовых лент вместо стальных канатов в качестве тяговых органов вертикальных ПУ с высотой подъёма Н<400 м;

• установлении зависимостей основных кинематических и динамических параметров вертикальной ПУ с резинотросовым тяговым органом от геометрических, режимных и других её параметров;

• расширении представления о механике взаимодействия ленточного тягового органа и приводного барабана.

Практическое значение работы состоит в:

• разработке рекомендаций по повышению эффективности ПУ за счёт использования резинотросовых лент в качестве тягового органа и выбора рациональных параметров подъёмной системы;

• создании пакета прикладных программ для расчёта динамических усилий в тяговом органе во время переходных процессов при пуске и торможении ПУ;

• разработке методики расчёта резинотросовых лент для вертикальных ПУ;

• обосновании основных параметров ПУ с резинотросовыми лентами и их области применения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:

• использованием методов математического моделирования, корректностью сделанных допущений при составлении математической модели и её решением численным методом Рунге-Кутта в математических пакетах программ;

• применением ПК и математического программного обеспечения, созданием экспериментальных стендов, оснащённых современной измерительной и регистрирующей аппаратурой, применением общепринятых методов статистической обработки экспериментальных данных;

• достаточным объёмом лабораторных экспериментов, обеспечивающих удовлетворительную сходимость результатов теоретических и экспериментальных данных, расхождение между которыми не превышает 12%.

Реализация результатов работы:

Разработанные рекомендации по применению резинотросовых лент на подъёмных установках горных предприятий, инженерная методика определения основных параметров ПУ приняты ОАО «ЦНИИподземмаш» для использования при проектировании подъёмных установок и внедрены в учебный процесс подготовки специалистов-инженеров по направлению «Горное дело».

На кафедре «Горная механика и транспорт» МГГУ созданы стенды подъёмных установок с ленточными тяговыми органами и измерительными комплексами с использованием ПК.

Апробация работы: Основные положения работы доложены и обсуждены на Международных научно-технических симпозиумах «Неделя горняка» в 2004;2007 гг. (Москва, МГГУ) и научных семинарах кафедры ГМТ МГГУ (2005;2007 гг).

Публикации: По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Объём работы: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 97 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 109 наименований, 3 приложения.

ВЫВОДЫ.

1. Для повышения плавности пуска подъёмной установки и улучшения его динамических характеристик рекомендуется использование в подъёмных установках с резинотросовыми ленточными тяговыми органами частотно-регулируемого электропривода подъёмной машины.

2. Предложенный метод изучения процесса взаимодействия ленты с приводным барабаном при помощи тензопреобразователя специальной конструкции в зоне чувствительности последнего позволяет получить качественные характеристики изменения усилия в ленте при огибании барабана.

3. Скорость вращения приводного барабана не оказывает существенного влияния на характер изменения усилий в ленте на дуге обхвата лентой барабана, как при подъёме груза, так и при опускании. И в том, и в другом случае усилия изменяются в соответствии с полиномиальными кривыми второго порядка.

4. Невозможность полностью устранить факторы, влияющие на смещение ленты по приводному барабану вертикальной подъёмной установки, требует дополнительных мероприятий по центрированию ленты. Выполненные эксперименты показали, что даже незначительный перекос цилиндрического барабана приводит к смещению ленты по его образующей во время цикла подъёма. К таким же последствиям могут привести недостаточная точность изготовления барабанов и ленты, неравномерная нагрузка на тросы каркаса ленты, износ элементов подъёмной системы и т. д.

5. При высоких значениях децентрирующих факторов более жёсткая лента перемещается по образующей барабана с более высокой скоростью. То же самое наблюдается при большой разнице статических натяжений ветвей подъёмной установки. Поэтому применение на подъёмных установках высокой грузоподъёмности резинотросовых лент с большой жёсткостью требует уменьшения смещающих факторов, например необходима более точная установка всех элементов подъёмной системы и стационарного комплекса, подвесное устройство подъёмного сосуда должно выполняться с возможностью выравнивания нагрузки по ширине ленты и т. д. В обратном случае подъёмные установки с ленточными тяговыми органами утратят ряд преимуществ по производительности и срокам эксплуатации тяговых органов.

6. Полному смещению ленты на небольших глубинах вполне могут противодействовать направляющие подъёмных сосудов, но при этом остаётся риск дополнительного износа бортов лент и возникновения пожара из-за трения ленты о неподвижные элементы подъёмной установки. Использование приводных цилиндрических барабанов с минимально возможными диаметрами также способствует уменьшению смещения ленты.

7. При проектировании подъёмных установок с ленточными тяговыми органами рекомендуется уделить внимание различным центрирующим устройствам, без которых эксплуатация подъёмных установок с резинотросовыми лентами недопустима. Подходящими центрирующими устройствами для подъёмных установок являются бочкообразные барабаны и специальные центрирующие барабаны, совмещающие в себе роль отклоняющих барабанов.

8. Хорошие центрирующие характеристики для подъёмных установок имеют центрирующие барабаны с возможностью перекоса у в горизонтальной плоскости. Например, при небольших значениях децентрирующих факторов (перекос приводного барабана) существует область стабилизации ленты на барабане благодаря центрирующему барабану. Увеличение угла у уменьшает перемещение ленты до стабильного положения на барабане, особенно при небольших значениях децентрирующих факторов, но при этом растёт неравномерность распределения нагрузки на ленту при огибании барабанов.

9. Применение центрирующих отклоняющих барабанов на шахтном подъёме требует определения рациональных значений углов их перекоса для лент различной ширины при разных нагрузках, приходящихся на тяговый орган. При проектировании подъёмной установки с ленточными тяговыми органами следует закладывать центрирующие барабаны в каждой из ветвей из-за того, что при реверсировании подъёмной установки центрирующий барабан может оказаться децентрирующим.

10. В целом наиболее гибким с точки зрения диапазона регулирования положением ленты на приводном барабане являются центрирующие барабаны, но со стороны уменьшения неравномерности нагрузки на тяговый орган лучшими характеристиками обладают бочкообразные барабаны. Перспективным является использование бочкообразного приводного барабана с центрирующими ленту отклоняющими барабанами в поднимаемой и опускаемой ветвях тягового органа. Причём отклоняющие барабаны можно выполнить со следящим приводом, который в зависимости от положения ленты на барабане будет изменять угол у горизонтального перекоса центрирующего барабана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи повышения эффективности работы вертикальных подъёмных установок (ПУ) и обоснования их основных параметров при применении резинотросовых лент взамен стальных подъёмных канатов в качестве тягового органа, что позволяет повысить технико-экономические показатели этих установок.

В результате выполненных в работе исследований лично автором получены следующие основные результаты и выводы:

1. Повышение технического уровня и улучшение технико-экономических показателей вертикального подъёма может быть достигнуто использованием в ПУ нового технического решенияприменения в качестве тягового органа резинотросовых ЛТО вместо подъёмных стальных канатов.

2. Замена стальных подъёмных канатов резинотросовыми лентами может обеспечить снижение суммарной массивности подъёмной системы ПУ при значительном уменьшении вращающихся масс привода подъёмной машины и некотором повышении поступательно движущихся масс в зависимости от высоты подъёма и параметров ЛТО. Так, при трёхкратном уменьшении диаметра приводного барабана ПУ с резинотросовым ЛТО масса подъёмной машины по сравнению с используемой в канатной ПУ уменьшается в 4 раза.

3. При замене стальных канатов резинотросовыми лентами в процессе пуска ПУ снижаются динамические усилия в тяговых органах на 1317% и более чем в 2 раза уменьшается амплитуда колебаний подъёмных сосудов.

4. Существенным преимуществом резинотросовых ЛТО ПУ является увеличение срока их службы в 2+3 раза по сравнению с канатами за счёт уменьшения напряжений в проволоках тросовой основы и давления в контакте тяговых органов с поверхностью приводных барабанов, снижения в связи с этим механического, а также коррозионного износов.

5. При проектировании ПУ с ЛТО следует предусматривать специальные меры по центрированию ленты на приводном барабане. Рекомендуется устанавливать с обеих сторон цилиндрического барабана специальные центрирующие барабаны с возможностью их регулировки. Такой способ центрирования ленты обеспечивает надёжное автоматическое регулирование её движения.

6. Рекомендуется в качестве тяговых органов ПУ использовать специальные резинотросовые ленты с резиновыми обкладками минимальной толщины и максимальным значением разрывной прочности для уменьшения ширины ленты и её относительной массивности.

7. Применение резинотросовых ЛТО эффективно на вертикальных ПУ при высотах подъёма от нескольких десятков до =400 м как на горнодобывающих предприятиях, так и при строительстве подземных городских и других сооружений. Эффективность работы ПУ с резинотросовыми ЛТО снижается с ростом высоты подъёма.

8. Разработанные методики и пакеты прикладных программ, а также рекомендации по использованию резинотросовых лент в качестве тягового органа ПУ приняты к использованию ОАО «ЦНИИподземмаш».

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, а — угол обхвата барабана (шкива) лентой, рад. не. анс — углы нечувствительности тензодатчика на дуге обхвата приводного барабана со стороны набегающей и сбегающей ветвей. у-угол наклона оси приводного барабана в вертикальной плоскости, град. уп — коэффициент кратности пускового момента электропривода.

5 — логарифмический декремент колебаний тягового органа. ц — коэффициент сцепления тягового органа и поверхности приводного барабана;

Mi, Ц2 — коэффициенты вязкости поднимаемой и опускаемой ветвей тягового органа подъёмной установки, Н-м.

Мто — массивность тягового органа, с2/м.

Upразрывная прочность 1 мм ширины ленты, Н/мм. т — удельное давление тросов ленты на обкладку, Н/мм2.

Тдоп — допустимое значение удельного давления тросов ленты на обкладку,.

Н/мм2. угол перекоса центрирующего ролика в горизонтальной плоскости, град. П — потенциальная энергия упругой деформации системы, Дж. Фто — работа внутренних сил трения тягового органа подъёмной установки, Дж. А — работа внешних сил, Дж. Аь Аг — две соседние амплитуды колебаний. Адв — работа движущей силы привода, Дж. Ат — работа силы торможения, Дж. В — ширина ленты, м. с — коэффициент жёсткости участка ленты, Н/м.

Ci, Ci — коэффициенты жёсткости поднимающейся и опускающейся ветвей тягового органа подъёмной установки, м. DB0 — диаметр приводного барабана (шкива), м. d — диаметр каната, мм. dz-элементарный участок тягового органа, мм. dTдиаметр тросов конвейерной ленты, мм. Е — модуль упругости тягового органа, Па. fчастота двигателя, Гц.

Fs — площадь поперечного сечения всех тросов ленты, м2.

Fa — движущая сила привода на ободе барабана (шкива), Н.

FH, Fn — соответственно номинальное и пусковое усилия на ободе канатоведущего органа, Н.

Fp — разрывная прочность тягового органа, Н. g — ускорение свободного падения, м/с2.

Н — высота подъёма, м. hn — толщина ленты, мм. h — коэффициент затухания. iB3 — скорость видеозаписи, кадр/с. ip — передаточное отношение редуктора. кд — коэффициент соотношения между диаметрами приводного шкива (барабана) и каната (тросов ленты). кдИн — коэффициент динамичности усилий в ветвях тягового органа при пуске подъёмной установки. L — полная длина тягового органа, м. t — длина участка тягового органа, м. fi, h — длины поднимающейся и опускающейся ветвей тягового органа подъёмной установки, м. ю,²⁰ — длина тягового органа в поднимаемой и опускаемой ветвях в начальный момент времени перед пуском, м. к — длина хвостового каната, подвешенного со стороны опускаемого подъёмного сосуда, в начальный момент времени перед пуском, м.

Мпр — момент двигателя, приведенный к валу приводного барабана (шкива),.

Н-м.

MJjp, М7 — статическая и динамическая составляющие момента привода, Н-м. Мтприведенный к валу приводного шкива (барабана) тормозной момент, Н-м. mi, тг, тз, — сосредоточенные массы трехмассовой эквивалентной схемы, кг. тто1, пг) то2 — массы поднимаемой и опускаемой ветвей тягового органа подъёмной установки, кг. N — мощность электродвигателя, Вт. п — коэффициент запаса прочности тягового органа на разрыв. Пном — номинальная частота вращения электродвигателя, мин" 1. пр — соотношение погонных масс тяговых органов. hq — соотношение масс полезного груза при использовании резинотросовой ленты и стального каната. пд — соотношение полных динамических усилий в стальном канате и резинотросовой ленте. пк — количество кадров между началом и окончанием процесса смещения ленты. пт — число тросов в тросовой основе ленты, р — погонная масса тягового органа, кг/м. рл, рк — соответственно погонные массы резинотросовых лент шириной 1 м и канатов, кг/м.

Qrp — грузоподъёмность подъёмной установки (скипа), кг.

Qrnp и QrKp — соответственно полезные грузоподъёмности лент и канатов, т.

Qck — масса подъёмного сосуда (скипа), кг.

Qo — масса концевого груза, кг. q — погонная масса хвостовых канатов (лент), кг/м.

R, Ri, R2, R3, — сопротивления тензометрических преобразователей, Ом.

R4 — сопротивление управляемого резистора в мосте Уитстона, Ом.

RB0 — радиус приводного барабана (шкива), м.

SCM — поперечное смещение ленты по образующей барабана, мм. s — скольжение электродвигателя.

Smax — максимальное натяжение тягового органа в верхней точке груженой ветви подъёмной установки, Н. Т — кинетическая энергия системы, Дж. Тпериод колебаний, с. t — шаг тросов в ленте, мм.

Тто — кинетическая энергия тягового органа, Дж.

Тм — кинетическая энергия сосредоточенных масс, Дж. щ, U2 — деформации поднимаемой и опускаемой ветвей тягового органа подъёмной установки, м. uf, и? — статические деформации поднимаемой и опускаемой ветвей тягового органа подъёмной установки, м. и? ин, ufHдинамические деформации поднимаемой и опускаемой ветвей тягового органа подъёмной установки, м.

U — напряжение электропитания, В.

UCT — аналоговый сигнал тензопреобразователя, мВ.

Ucn — аналоговый сигнал пьезоэлектрического вибропреобразователя, мВ. v — скорость перемещения тягового органа, м/с. vноминальная скорость движения массы mi эквивалентной схемы подъёмной установки, м/с. vCM — скорость поперечного смещения ленты по образующей приводного барабана, мм/с.

Хь уь Zi — перемещения сосредоточенных масс, м. Z — матрица решений математической модели в среде MathCAD.

ЛТО — ленточный тяговый орган. ПБ — Правила безопасности. ПК — персональный компьютер. ПУ — подъёмная установка.