О формировании дополнительных лобовых и боковых сил на проводники в местах встречи подъемных сосудов и их учете при проектировании армировки Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

-------------------------------- © С.Г. Страданченко, А.Ю. Прокопов,

2010

УДК 622.258.3

С.Г. Страданченко, А.Ю. Прокопов

О ФОРМИРОВАНИИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЛОБОВЫХ И БОКОВЫХ СИЛ НА ПРОВОДНИКИ В МЕСТАХ ВСТРЕЧИ ПОДЪЕМНЫХ СОСУДОВ И ИХ УЧЕТЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АРМИРОВКИ

Построены графики зависимости дополнительных лобовой и боковой сил на армиров-ку вследствие аэродинамических воздействий на подъемные сосуды в местах их встречи от интенсивности подъема.

Ключевые слова: вертикальные стволы, армировка, лобовые и боковые силы.

Неделя горняка

Ту ействующими нормативными документами по проектированию жесткой ар-мировки вертикальных стволов [1, 2] дополнительные нагрузки на армиров-ку вследствие аэродинамических сил на подъемные сосуды не учитываются. Тем не менее, эти силы, особенно в местах встречи подъемных сосудов, вызывают дополнительные нагрузки на проводники, изученные в работах [3, 4].

В зависимости от расположения подъемных сосудов в сечении вертикального ствола горизонтальная аэродинамическая сила на сосуды может вызывать дополнительную лобовую (рис. 1, а) или же боковую (рис. 1, б) силы на проводники.

Исходя из результатов исследований [3, 4], были получены выражения для расчета дополнительных лобовой и боковой сил на проводники от аэродинамических сил в месте встречи подъемных сосудов:

0 _ ра.вст _ С рас Н(V + Ус)2(/ + Яп<) . (1)

Лл •'лоб п ’ ' '

__ра.вст _ С р Ьс Н (V+V )2 (/ + ^П«аб ) (2)

где с - коэффициент сопротивления, определяемый опытным путем в зависимости от формы тела; для скипа, как параллелепипеда с = 0,36 [5]; р - плотность воздуха, кг/м3; ас, Ьс - геометрические размеры подъемного сосуда в плане, соответственно перпендикулярный и параллельный лобовой нагрузке на проводник, м; Н - высота подъемного сосуда, м; V, V: - соответственно скорости воздушной струи и подъемного сосуда, м/с; к = 0,15ч0,20 - коэффициент, учитывающий уменьшение давления вследствие потери скорости при движении воздуха в поперечном направлении; а”, а1 - соответственно углы атаки воздушной струи в лобовой и боковой плоскостях, °; п - количество проводников, воспринимающих нагрузку.

Используя полученные выражения (1) и (2), построим графики зависимости дополнительных лобовой Рлаобст и боковой РбГ сил на армировку вследствие

Рис. 1. Схема формирования дополнительных нагрузок на проводники от аэродинамической силы на сосуды в месте их встречи: а - лобовой; б - боковой, Rл, Rб - лобовая и боковая реакции проводников от действия аэродинамической силы на подъемные сосуды Равст

аэродинамических воздействий на подъемные сосуды в местах их встречи от интенсивности подъема (рис. 2).

При расчете интенсивности принимаем типовые подъемные сосуды с заданными массами, которым соответствуют определенные геометрические характеристики скипов.

Как видно из рис. 2, дополнительные нагрузки на армировку Рлаобст и Рбаокст, Н, для серийно используемых скипов могут быть упрощенно рассчитаны в зависимости от интенсивности подъема /под, МДж, с помощью линейной функции (при коэффициентах корреляции Я2 = 0,934 для лобовой и Я2 = 0,938 для боковой нагрузки):

кТ1 _ 67,9/ПоД + 296;

[РГ1 _ 58,4/под + 239 .

Таким образом, расчетное значение дополнительной силы на каждый из проводников, вызванной аэродинамическим ударом от встречи большегрузных скипов при интенсивности подъема 40 МДж может превышать 3 кН, что сравнимо с горизонтальными (лобовой и боковой) силами на проводники, действующими при малой и средней интенсивности подъема.

Следует отметить, что при использовании двухскипового подъема, а также подъемов, основанных на уравновешивании подъемных сосудов, место встречи скипов будет одним и тем же, поэтому конструктивное усиление армировки будет целесообразным только на данном участке ствола. В случае же использования независимых односкипового или одноклетевого подъемов с противовесом место встречи подъемных сосудов может быть произвольным, поэтому на данную нагрузку должна быть рассчитана армировка по всей глубине ствола.

Рис. 2. Графики зависимости дополнительных лобовой и боковой сил на проводники вследствие аэродинамического удара в местах встречи подъемны/х сосудов от интенсивности подъема

Исследуем, какую долю занимают дополнительные нагрузки на армировку вследствие действия аэродинамических сил в общих эксплуатационных лобовой Рлоб и боковой Рбок нагрузках.

3500

3000

° | 2500 5 * 2000

* 1500 1000

500

0

- 67.919х + 296.07

Р? = 0.9321 '

- ♦

> ♦ у = 58.396Х + 238.74

& = 0.9367

10 20 30

Интенсивность подъема, МДж

40

Для учета аэродинамических сил при определении эксплуатационных нагрузок

на армировку введем коэффициенты и кбовкст определяемые отношениями

т) . ра.вст ра.вст

к а.вст _ -*лоб + рлоб _ 1 . Мюб

Ллоб _ р ~ Р

а.вст

р + ра

1 бок ^ 1 бс р

_ 1+

ра.

1 Лл

р

(3)

(4)

Подставив в уравнения (3) и (4) соответствующие значения усилий (1), (2) и эксплуатационных нагрузок, рассчитываемых в соответствии с [1], получим выражения:

/^а.вст _ 1 , с р 1 '

1 + с рас Н {к + sin«,Л)/2 15 п ДуК2р т уу

Ьс Н {к + вшаб)/2

15 п Д хКр т Ух

где Дх, Ду - зазоры на сторону между рабочими или предохранительными направляющими скольжения и проводником; Кр - коэффициент влияния типа рабочих направляющих подъемного сосуда; I - шаг армировки, м; уу1, ух\ - коэффициенты соответственно в лобовой и боковой плоскостях, определяемые по методике [1].

По данным расчета кловбст и кбовкст построим графики их зависимости от интенсивности подъема при использовании рельсовых (рис. 3) и коробчатых (рис. 4) проводников для различных шагов армировки.

С достаточно высокой точностью (корреляционное отношение - от 0,835 до 0,995) коэффициенты Сбст и кбовкст могут быть рассчитаны по формуле В

к а-ВСТ _ А +

ллоб(бок) I

2

2

Рельсовые проводники

а) 6)

Интенсивность подъема 1„од, МДж Интенсивность подъема 1под, МДж

Рис. 3. Графики зависимости коэффициентов учета аэродинамической сит в месте встречи скипов от интенсивности подъема при использовании рельсовыгх проводников: а — коэффициента лобовой нагрузки клос ; б — коэффициента боковой нагрузки ;

I — шаг армировки, м

Коробчатые проводники

а) 6)

Интенсивность подъема 1ПОД, МДж Интенсивность подъема 1под, МДж

Рис. 4. Графики зависимости коэффициентов учета аэродинамической силы1 в месте встречи скипов от интенсивности подъема при использовании коробчатыгх проводников: а — коэффициента лобовой нагрузки ; б — коэффициента боковой нагрузки кбовкст; I — шаг армировки, м

Направление действия нагрузки Профиль проводника Шаг ар-мировки, м Коэффициенты аппроксимации уравнения (5) Среднее квадратическое отклонение Корреляционное отношение

А В

Лобовая Рельсовый З,125 1,01 1,01 0,0595 0,0З76 8,544 10-5 4,12910-5 0,952 0,835

4,168 1,02 1,02 0,126 0,0804 3,81010-4 1,809 10-4 0,963 0,853

6,25 1,07 1,05 0,З90 0,281 3,723-10-3 1,939 10-3 0,936 0,936

Коробчатый З 1,00 1,00 0,0458 0,0З29 5,604 10-5 2,905 10-5 0,995 0,989

4 1,01 1,01 0,0762 0,0496 1,364 10-4 6,237-10-5 0,991 0,908

6 1,04 1,0З 0,200 0,142 1,008 10-3 5,172-10-4 0,911 0,898

Боковая Рельсовый З,125 1,01 1,01 0,0528 0,0З28 7,732-10-5 3,854 10-5 0,918 0,892

4,168 1,02 1,02 0,115 0,0725 3,605 10-4 1,747-10-4 0,937 0,920

6,25 1,07 1,05 0,З84 0,277 4,047-10-3 2,10610-3 0,927 0,946

Коробчатый З 1,00 1,00 0,0З95 0,0285 4,535-10-5 2,35110-5 0,990 0,995

4 1,01 1,01 0,0692 0,0446 1,263 10-4 5,854 10-5 0,979 0,877

6 1,04 1,0З 0,189 0,1З4 1,026 10-3 5,269^10-4 0,891 0,878

Примечания * - В числителе приведены коэффициенты для упругих роликовых направляющих, а в знаменателе - для жестких лап скольжения. - среднее квадратическое отклонение между точками поля корреляции (рис. 3 и 4) и соответствующими им теоретическими значениями, полученными по формуле (5).

где А и В - коэффициенты аппроксимации, зависящие от направления приложения нагрузки, шага армировки, профиля проводника и типа направляющих устройств, принимаются по таблице.

Как следует из величин коэффициентов £Ловбст и kбовкст, рассчитанных по формуле (5), дополнительные лобовые и боковые нагрузки на коробчатые (рельсовые) проводники вследствие действия аэродинамического удара в местах встречи скипов, при средней интенсивности подъема (3 - 10 МДж) составляют:

• 2-7% эксплуатационной нагрузки при шагах армировки 3 (3,125) и 4 (4,168) м;

• 7-22% эксплуатационной нагрузки при шагах армировки 6 (6,25) м.

При высокой интенсивности подъема (10 - 40 МДж) удельный вес дополнительной нагрузки вследствие аэродинамического удара в общей нагрузке на армировку снижается и составляет:

• 1-2% эксплуатационной нагрузки при шагах армировки 3 (3,125) и 4 (4,168) м;

• 4-11,5% эксплуатационной нагрузки при шагах армировки 6 (6,25) м.

Таким образом, дополнительные лобовые и боковые нагрузки на проводники вследствие действия аэродинамических сил в местах встречи подъемных сосудов должны обязательно учитываться при проектировании армировки с шагом 6 (6,25) м при любой интенсивности подъема, а также с шагом 3 (3,125) и 4 (4,168) м при интенсивности подъема ниже 10 МДж.

1. Методика расчета жестких армировок вертикальных стволов шахт.- ВНИИГМ им. М.М. Федорова.- Донецк, 1985.- 170 с.

2. Пособие по проектированию и монтажу жесткой армировки вертикальных стволов шахт и рудников (к СНиП 11-94-80). Гос. ком. СССР по народн. образ., Моск. горн. ин-т / Под ред. И.В. Баклашова. - М.: Недра, 1989. - 160 с.

3. Прокопов А.Ю. Влияние аэродинамических сил на подъемные сосуды и жесткую ар-мировку в стволах с высокой интенсивностью подъема// Горный информационноаналитический бюллетень - М.: МГГУ, 2006. -

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Тематическое прил. «Физика горных пород» -С. 309 - 316.

4. Прокопов А.Ю. Влияние аэродинамических сил на жесткую армировку вертикальных стволов// Научно-технические проблемы разработки угольных месторождений, шахтного и подземного строительства: Сб. науч. тр. / Шах-тинский ин-т ЮРГТУ(НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ(НПИ), 2005. - С. 140 -145.

5. Белый В.Д. Канатные проводники шахтных подъемных установок. - М.: Углетехиздат, 1959. - 212 с.

г Коротко об авторах

Страданченко С.Г. - доктор технических наук, профессор, директор Шахтинского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), зав. кафедрой «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы»

Прокопов А.Ю. - кандидат технических наук, доцент, заместитель директора Шахтин-ского института Южно-Российского государственного технического университета по образовательной деятельности, докторант кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы», г. Шахты, Россия, prokopov72@rambler.ru