Обоснование и обеспечение безопасной эксплуатации шахтных барабанных подъемных установок

Аппаратура может быть использована на БШПУ как с вертикальными, так и наклонными стволами, с высотой ствола до 2 000 м. Для обеспечения самоконтроля аппаратуры передатчик работает непрерывно. Энергия, излучаемая его рамочной антенной, прерывается датчиком контроля только в момент зависания сосуда. В приёмниках использован принцип частотной модуляции, что повышает помехоустойчивость приёмников.

По приказу МЦМ СССР №346 от 22.08 1980 г. аппаратура АПИК-2 была испытана межведомственной комиссией. В протоколе было указано, что канал связи работает надежно; зависание подъёмного сосуда фиксируется при напуске каната не более 0,2-0,18 м; аппаратура АПИК-2 повышает безопасность эксплуатации БШПУ; опытный образец аппаратуры изготовлен в общепромышленном исполнении; установка датчика на канате уменьшает фактическую высоту переподъёма.

Рис. 9. Функционально-технологическая схема индуктивной связи с использованием петлевой антенны приемника

Позже, в акте комиссии, утвержденном заместителем министра МЦМ СССР от 22.12.1980 г., было рекомендовано изготовить и внедрить партию АПИК-2 в рудничном исполнении для применения на различных предприятиях МЦМ СССР. При подготовке партии АПИК-2 был предусмотрен самоконтроль аппаратуры. Расчеты надежности и экономической эффективности аппаратуры АПИК-2 показали, что вероятность безотказной работы равна 0,8; вероятность минимальной работоспособности - 0,395; срок службы составляет не менее 6,2 года.

7. Устройство защиты БШПУ от напуска каната с опережающим торможением каната аварийного подъёмного сосуда

В соответствии с требованием ЕПБ (статья 357) в момент наложения предохранительного тормоза (ПТ) недопустима потеря кинематической связи между подъёмной машиной и поднимающимся сосудом из-за резкого торможения и остановки ПМ. Поэтому предохранительный тормоз имеет ограничения в интенсивности действия, что и обеспечивает выполнение данного требования ЕПБ. Однако в случае зависания опускающегося сосуда «плавность» тормоза приводит к накоплению напуска каната в стволе. Следовательно, требование ЕПБ по данной статье, защищая канат поднимающегося сосуда, не защищает канат опускающегося сосуда, поэтому защита БШПУ по принятой на практике схеме не может быть действенной.

В качестве одного из возможных вариантов повышения безопасной эксплуатации БШПУ предложено организовать защиту от напуска каната с привлечением индивидуального тормоза каната аварийного сосуда. Такой тормоз должен быть быстродействующим, не допускающим напуска каната опасной длины. Тогда предохранительный тормоз будет действовать в соответствии с ЕПБ. В качестве индивидуального тормоза автором предложен клиновый ловитель с силовой пружиной и пироприводом. Выбор пиротехнического привода обусловлен тем, что известные электромагнитные приводы для данного случая имеют относительно низкое быстродействие. Применение пиропривода потребовало разработки как его конструкции, так и методики расчета величины заряда и длительности действия. Оказалось, что величина заряда колеблется в пределах от 0,7 до 0,9 г пороха, а быстродействие приводов - не ниже 0,0055 с. С учетом опыта создания шахтного парашюта угол наклона клина был принят в пределах 12 . Торможение каната, должно выполняться по допустимым пределу прочности и нагреву проволок каната. Эти требования не должны допустить ухудшения рабочих характеристик металла проволок каната. Рассмотрены два варианта конструкции исполнительного органа: с несходящимися и со сходящимися элементами.

В ходе теоретических исследований первый вариант был отклонен из-за возможного наступления самоторможения пары трения «клин-канат». Исследования второго варианта показали возможность создания определенной силы торможения и остановки каната с заданным замедлением. Надежность схватывания клином каната наступит при выполнении условия

tg (f_к-f) / (1 + f_кf), (17)

где f_к - коэффициент сопротивления движению каната в ловителе, учитывающий трение, смятие и деформацию каната; f - коэффициент трения клина о станину. При рассмотрении времени срабатывания исполнительного органа ловителя это время было разбито на два этапа: холостой ход клина при выборе им суммарного зазора между спинкой и канатом и клином и канатом; соприкосновение клина с канатом и внедрение его в канат. Время выборки зазора определялось по уравнению

(18)

где - жесткость пружины, кг/мм; - масса клина, кгс²м-¹.

h = (cos - f sin) + (R₀/m_кл), (19)

где R₀ - упругая сила пружины в сжатом состоянии, кг.

Расчеты показали, что среднее значение данного времени не превышает (4,0-6,0) х 10-³ с.

Второй этап характерен тем, что уравнение движения клина существенно нелинейно. Нелинейность уравнения обусловливается также нелинейным характером коэффициента сопротивления движению каната и упругой характеристикой последнего:

(20)

где F(у) - нормальная реакция каната, кг; R(x) - упругая сила пружины, кг; Ф_тр - сила трения клина о станину, кг. Ввиду неизвестности коэффициента сопротивления движению каната при обжатии его клином, данный коэффициент определялся экспериментально, для чего был собран стенд (рис. 11).

Коэффициент сопротивления f_k движению каната зависит от степени обжатия последнего и может быть аппроксимирован функцией вида

(21)

где - максимальное значение коэффициента сопротивления движению каната, соответствующее внедрению клина в канат на величину _max, определяется экспериментально; v - экспериментальный коэффициент.

Уравнение упругой характеристики каната может быть принято в виде

 (22)

где lл - длина рабочей поверхности элементов ловителя, мм; у - величина внедрения клина в канат, мм; ак, nк - экспериментальные величины. Отсюда

(23)

Экспериментально установлено, что время обжатия каната на порядок меньше времени холостого хода, поэтому им можно пренебречь. С целью сокращения времени возврата ловителя в исходное состояние был выполнен ловитель с самовозвратом стопора-пиропривода.

Рис. 10. Вариант исполнения индивидуального тормоза каната аварийного сосуда

Численное моделирование динамики работы такого ловителя показало, что быстротекущие процессы стопора-пиропривода могут иметь обратный эффект - стопор может успеть вернуться в прежнее своё положение до начала движения клина - менее быстродействующего элемента ловителя - и вновь застопорить клин. В дальнейшем такая конструкция ловителя не рассматривалась. В улучшенном варианте ловителя были упразднены приводная пружина, и стопор-пиропровод. Задачу привода клина выполнял теперь пиропривод. Кроме того, была предусмотрена система освобождения каната от ловителя (рис. 10). Клин 2 является рабочим клином, а клин 5 - клином возврата ловителя в исходное состояние, причем угол ? > угла ?. Возврат клина в исходное состояние контролируется датчиком 12, выход которого соединён со входом сигнализатора 13 и со входом привода 14, который управляет положением вентиля слива 15. Для освобождения каната от действия ловителя оператор подаёт команду на подачу рабочей жидкости в гидроцилиндр11. Клин 5 перемещается вверх и освобождает канат 4. Возврат клина 2 позволяет приводу 14 открыть вентиль 15 и слить жидкость. Клин 5 под действием мощной пружины 9 возвращается в исходное положение.

8. Экспериментальные исследования процесса экстренного торможения каната ловителем

Экспериментально определялись применимость предложенного способа защиты от напуска каната и степень сохранности подъёмного каната после действия ловителя, на созданной полупромышленной установке. Она состоит из ведущего барабана, в качестве которого использована подъёмная лебедка БЛ 1200/ 1030У; ловителя (испытания велись на ловителе первого варианта); направляющих блоков и комплекта измерительной и регистрирующей аппаратуры. Исследования велись на канате диаметром 20 мм конструкции ТК6*19 + О.С. по ГОСТ 3070-56. Схема протяжки каната на стенде приведена на рис. 11. Величина обжатия каната регулировалась. Длина рабочих поверхностей клина и спинки была принята несколько длиннее двух шагов свивки каната. Для измерения действующих усилий применялись тензометрические датчики ТД. Все сигналы регистрировались осциллографом Н-102. Сигналы датчиков ТД предварительно усиливались станцией ТД-4М.

Испытания проводились с осциллографированием действия ловителя. В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов были установлены значения: коэффициента сопротивления fn (у) движению в зависимости от степени обжатия каната (рис. 12а); величина реакции каната F (y) в зависимости от степени обжатия каната (рис. 12б).

Рис. 11. Кинематическая схема стендовой установки для испытания ловителя: Д1, Д2 - тарировочные динамометры; ТД1-ТД3 - тензометрические датчики

Проводилась проверка изменений прочностных характеристик проволок каната происходящих под действием тепла паре трения. Регистрации температуры в динамических процессах был использован косвенный метод: по изменению микроструктуры и микротвёрдости контактируемых поверхностей. Для металлографического исследования были отобраны 7 партий проволок каната: одна изначальная, остальные 6 были взяты с участков каната, подверженных различным степеням обжатия ловителем. Из проволок были изготовлены шлифы. Исследования поверхностного слоя велись на металлографическом микроскопе МИМ-8М и прибором ПМТ-3.

Рис. 12. Экспериментальные характеристики каната ТК 6 х19+о.с., d=20 мм, полученные на стендовой установке: а) зависимость коэффициента сопротивления движению от степени обжатия; б) зависимость степени обжатия каната от усилия клина

Образец №2 не имел никаких следов; образцы №3, 4 и 5 имели следы износа; образец №6 - значительный износ; образец №7 - (это более 5% обжатия) на поверхности был обнаружен белый слой, представляющий собой мартенсит. Толщина слоя не превышала 10-12 мкм. Переход сорбитовой структуры проволоки каната в мартенситовый свидетельствует о возрастании температуры в зоне трения до 723^оС. Исследование шлифов №8 и №9 показали, что дальнейший рост степени обжатия каната увеличивает мартенситный слой. Мартенситный слой хрупок, и при изгибах каната на барабане и шкиве могут появиться микротрещины - концентраторы напряжений, ведущие к разрушению проволок каната. Далее проволоки каната (9 проб по 78 проволок) были испытаны на растяжение и прогиб. Испытания проволок на растяжение показали, что временное сопротивление разрыву, марка и группа прочности проволок и каната остались в пределах допуска. Испытания проволок каната на перегиб показали, что при обжатии каната свыше 5% происходит незначительное снижение стойкости на изгиб.

Таким образом, ловитель в системе защиты в БШПУ от напуска каната может быть применен при обжатии каната до 5% включительно. Однако достаточно ли это обжатие для обеспечения ловителем допустимого напуска каната? Выполненый расчет применительно к одному из подъёмов Челябинской области при условии, что обжатие каната происходит в пределах 3%, показал что длина напуска, допускаемого ловителем, равна 1,6 м, длина критического напуска 2,1 м. Длина напуска, допускаемого предохранительным тормозом, была бы равна 7,0 м. Таким образом, по величине напуска каната действия ловителя положительны. На практике вполне возможны ошибочные или ложные включения ловителя в работу при отсутствии зависания сосуда. Каковы же замедления каната в ловителе по сравнению с предельно допустимыми замедлениями? Для оценки данной ситуации выполнены сравнения замедлений, допускаемых при действии шахтного парашюта и ловителя. Оказалось что максимальные замедления ловителя для того же примера не достигают 22 м/с². Следовательно, замедления сосуда, создаваемые ловителем, не противоречат требованиям ЕПБ. С учетом полученных результатов разработана номограмма, позволяющая находить конструктивные параметры исполнительного органа ловителя для условий любых подъёмов. С целью расширения области применения ловителя с двумя клиньями (рис. 10) как средства защиты при одновременном сохранении эксплутационных характеристик подъёмного каната данный ловитель предложено оснастить предохранительными лентами, которые должны уменьшить или даже не допустить истирания и нагрева проволок каната.

Заключение

В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические решения по повышению эксплуатационной безопасности БШПУ, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие технического уровня горных предприятий с подземной добычей полезных ископаемых и в оснащении их современной горной техникой Актуальность этой задачи возрастает в связи с моральным и физическим износом барабанных подъемных установок, повсеместно используемых на рудниках России.

В ходе работы над поставленными в диссертации задачами выполнены следующие теоретические исследования и получены практические результаты:

1. Выполнен анализ аварий на БШПУ отдельных регионов России, Казахстана и Кыргызстана, в результате которого установлены наиболее характерные виды аварий, большинство из них связаны со стволом шахты.

2. Разработана классификация различных способов контроля зависания подъемного сосуда и дана методика расчета времени запаздывания в обнаружении аварии в стволе для каждого способа контроля.

3. Разработаны научные основы расчета длины напуска каната при зависании подъемного сосуда в стволе и дана оценка степени опасности появления в стволе напуска каната, тем самым доказана незащищенность БШПУ при авариях в стволе.

4. Разработан гравитационный способ удержания вагонетки в клети и теоретические основы динамики при установке и при обмене вагонетки в клети на базе безударного стопора, что позволило установить параметры основных узлов стопора, выявить возможные резонансные явления и избежать их благодаря правильному выбору параметров кулака стопора.

5. Разработаны различные конструкции датчиков зависания подъемного сосуда, защищены авторскими свидетельствами и теоретически обоснованы основные рабочие параметры и время их действия.

6. Обоснована применимость ближней индуктивной связи и установлены её параметры для условий ствола шахты, разработана методика расчета конструктивных и эксплуатационных параметров аппаратуры связи.

7. На базе вновь предложенного способа защиты БШПУ от напуска каната разработаны и защищены авторскими свидетельствами конструкции индивидуального тормоза каната аварийного сосуда, разработаны методики расчета основных узлов исполнительного органа и быстродействующего привода.

8. Приведенные теоретические исследования и разработанные технические средства актуальны и в настоящее время.

Результаты исследований и разработок

1. Внедрена в проектном институте ОАО «Гипроникель» методика расчета параметров стопора безударного гравитационного действия типа СА и САК. 2. Данный стопор серийно изготавливается совместно с модернизированной клетью на ОАО ПО «Усольмаш» с 1990 г. Данными стопорами оснащаются барабанные подъемные установки горнорудных и угольных предприятий России и СНГ. На 01.01.2008 г. изготовлены и реализованы предприятиям более 120 комплектов.

2. Внедрены на шахтах Хайдарканского ртутного комбината, Дектярского рудоуправления, ОАО ПО «Средазуголь» и ОАО «Сибруда» аппаратура контроля зависания сосуда АПИК - 2.

3. Рекомендована межведомственной комиссией МЦМ СССР, прошедшей на Хайдарканском ртутном комбинате, к более широкому внедрению аппаратуры контроля напуска каната АПИК-2 на предприятиях цветной металлургии. Внедрено и с 1986 г. эксплуатируется блокировочное устройство стопорного механизма на Жескентском ГОКе (Казахстан).

5. На ОАО «Учалинский ГОК»:

- с 1996 г. на двух БШПУ эксплуатируются стопоры гравитационного действия типа СА, изготовленные в ОАО ПО «Усольмаш»;

- ведутся работы по изготовлению двух комплектов аппаратуры АПИК-2 с датчиками, устанавливаемыми на подвесном устройстве и на подъемном сосуде для монтажа на двух БШПУ комбината.

6. Научные и методические результаты используются в учебном процессе при подготовке инженеров специальностей 1701 «Горные машины и оборудование», 3310 «Безопасная жизнедеятельность» в Магнитогорском государственном техническом университете.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Аппаратура контроля напуска каната АПИК-2 / И.Н. Латыпов, П.И. Пахомов, М.М. Шамсутдинов // Временная инструкция по эксплуатации и технике безопасности. Фрунзе: ФПИ, 1979. С. 35.

2. Латыпов И.Н., Дьяченко С.Н., Меньшиков В.Ф. Защита рудничных подъемных установок от напуска каната на предприятиях цветной металлургии // Обз. Инф. ЦНИИЭ и ИЦМ. 1984. Вып. 4. 56 с.

3. Латыпов И.Н., Борохович А.И. Организация контроля и защиты от напуска каната на рудничных подъемных установках. Свердловск, 1994. 65 с.

4. Латыпов И.Н. Шахтные подъемные установки (безопасность эксплуатации). Уфа: Гилем, 2005. 360 с.

5. Борохович А.И., Латыпов И.Н., Сусанин З.В. Определение напуска каната при зависании скипа в стволе шахты // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. Новосибирск: Наука, 1971. №1. С. 140-145.

6. Латыпов И.Н., Пахомов П.И. Расчет поля индукции рамочной антенны передатчика аппаратуры контроля напуска каната // Изв. вузов. Горный журнал. 1978. №11. С. 144-149.

7. Аппаратура контроля напуска каната с одноканальной индуктивной связью / П.И. Пахомов, И.Н. Латыпов, М.М. Шамсутдинов // Цветная металлургия. 1980. №2.С. 36-38.

8. Латыпов И.Н., Пахомов П.И., Шамсутдинов М.М. Аппаратура АПИК-2 для контроля напуска каната в стволе шахты // Цветная металлургия. 1982. №9. С. 45-47.

9. Латыпов И.Н., Шабданалиев Э.М., Лабыничев Г.В., Алексеев И.А. Контроль стопорения вагонетки в клети // Горный журнал. 1983. №12. С. 49-51.

10. Латыпов И.Н., Бутолин М.Н. О выборе способа контроля напуска каната // Горный журнал. 1980. №2. С. 46-48.

11. Латыпов И.Н., Шамсутдинов М.М. Датчик контроля напуска каната // Изв. вузов. Горный журнал. 1981. №7. С. 98-101.

12. Латыпов И.Н., Дунаев М.В., Шамсутдинов М.М. Влияние условий закрепления датчика контроля напуска каната на усилие изгиба каната // Изв. вузов. Горный журнал. 1983. №1. С. 82-85.

13. Латыпов И.Н., Пахомов П.И. Расчет оптимальной ширины петлевой антенны приемника аппаратуры контроля напуска каната // Изв. вузов. Горный журнал. 1980. №10. С. 108-110.

14. Латыпов И.Н. Определение высоты кулака стопорного механизма клети // Изв. вузов. Горный журнал. 1989. №4. С. 88-92.

15. Латыпов И.Н. К вопросу обмена вагонеток в шахтной клети // Изв. вузов. Горный журнал. 1990. №5. С. 102-105.

16. Латыпов И.Н. К вопросу устойчивости вагонетки при движении шахтной клети // Изв. вузов. Горный журнал. 1990. №6. С. 95-100.

17. Ляпцев С.А., Двинин Л.А., Латыпов И.Н. Продолжительность срабатывания устройств для контроля натяжения рудничного подъемного каната // Изв. вузов. Горный журнал. 1998. №4. С. 91-93.

18. Пахомов П.И., Латыпов И.Н. Расчет ЭДС, наводимой в проводе петлевой антенны при индуктивной связи в стволе шахты // Изв. вузов. Горный журнал. 1979. №9. С. 98-100.

19. Латыпов И.Н. К вопросу организации защиты шахтной подъемной установки от напуска каната // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во МГГУ, 2008. №5. С. 17-22.

20. Латыпов И.Н. Стендовые исследования процесса экстренного торможения каната ловителем при зависании сосуда // Горный информационно - аналитический бюллетень. М.: Изд-во МГГУ, 2008. №5.С. 14-16.

21. Латыпов И.Н. Исследования проволок каната, подвергшихся действию ловителя // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во МГГУ, 2008. №5.С. 22-24.

22. Латыпов И.Н. Аппаратура контроля напуска каната // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во МГГУ, 2008. №6. С. 13-15.

23. Латыпов И.Н. Контроль вагонетки в клети // Горный информационно - аналитический бюллетень. М.: Изд-во МГГУ, 2008. №6. С. 16-17.

24. Латыпов И.Н. Датчик контроля чрезмерных замедлений скипа // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во МГГУ, 2008. №6. С. 18-19.

25. Анализ причин некоторых аварий на шахтных подъемных установках Южного Урала / И.Н. Латыпов, А.И. Борохович, Ю.И. Мелентьев и др. // Сб. научн. тр. МГМИ. Вып. 56. 1968.

26. Борохович А.И., Латыпов И.Н., Наумов С.С., Сусанин З.В. Номографический способ определения степени массивности подъемных машин при зависании неопрокидных клетей в стволе шахты // Сб. научн. тр. МГМИ. Вып. 57. Магнитогороск, 1968.

27. Борохович А.И., Латыпов И.Н. Устройство ловителя для предупреждения напуска каната подъемной установки // Сб. науч. тр. МГМИ. №85. Магнитогорск, 1970.

28. Латыпов И.Н. Упрощенный метод определения степени массивности подвижных частей подъемной установки при зависании скипа в стволе шахты // Сб. научн. тр. МГМИ. Вып. 56. Магнитогорск, 1968.

29. Латыпов И.Н., Борохович А.И., Мелентьев Ю.И., Сусанин З.В. О некоторых вопросах образования напуска каната // Сб. научн. тр. МГМИ. Вып. 56. Магнитогорск, 1968.

30. Латыпов И.Н. Защита шахтных подъемных установок от напуска каната // Сб. матер. II конф. молодых уч. и спец. Ю. Урала. Вып. 34. Челябинск, 1969.

31. Латыпов И.Н. О расчете датчика контроля зависания сосуда в стволе шахты // Сб. научн. тр. МГМИ. №70. Магнитогорск, 1969.

32. Латыпов И.Н., Абросимов А.Ф. К вопросу разработки канала связи в стволе // Труды МГМИ. 1973. Вып. 136.

33. Латыпов И.Н., Гребенщиков В.А., Коротков Н.П. и др. О возможности контроля напуска каната сравнением перемещений подъемных сосудов // Межвузовский сб. Вып. 2. Свердловск, 1981.

34. Латыпов И.Н., Мелентьев Ю.И. Вопросы совершенствования защиты подъемной установки от напуска каната // Межвузовский сб. Головной совет при Ленинградском горном институте / Кузбасский политехнический институт. №1. Кемерово, 1974.

35. Латыпов И.Н., Борохович А.И., Пестряков В.А. Силовой стопор-привод мгновенного действия // Межвузовский сб. №1. Кемерово, 1974.

36. Латыпов И.Н. Длительность срабатывания ловителя ПКПЗ // Сб. научн. тр. МГМИ. №116. Магнитогорск, 1973.

37. Изыскания эффективных методов контроля застревания сосуда шахтной подъемной установки: Отчет по научно-исследовательской работе / МГМИ. Магнитогорск, 1970. С. 107.

38. Исследование и разработка конструкций аппаратуры контроля стопорения вагонетки при ее установке на горизонте и при движении клети: Отчет /ФПИ; Рук. И.Н. Латыпов. №29/81, №ГР 01829021310; Инв. №02823022710. Фрунзе, 1982.

39. Разработка и исследование защитного противонапускного комплекса для шахтного подъема: Отчет по научно-исследовательской работе / ФПИ; Науч. рук. И.Н. Латыпов. Фрунзе, 1979. С. 136.

40. Средства контроля положения стопоров в клети, испытание, надежность эффективность противонапускной аппаратуры АПИК-2 и АПИК-3. Заключительный отчет ФПИ. Рук. Латыпов И.Н. №67 / 77, №ГР 79011561;

41. Инв. № - Фрунзе, 1981. С

42. Латыпов И.Н. Теоретическое обоснование параметров ловителя ПКПЗ // Сб. Докл. областной науч.-техн. конф., 1982. ноябрь. Кемерово, 1982.

43. Латыпов И.Н. Вопросы усовершенствования защиты от напуска каната // Сб. Докл. НТК ИГМ и ТК. Донецк, 1988.

44. Латыпов И.Н. К вопросу об устойчивости вагонетки в шахтной клети // Тезисы докладов Второй республиканской конференции / ФПИ. Фрунзе, 1990.

Размещено на Allbest.ru