CC BY
48
© В.И. Галкин, A.M. Махоткин, 2012
УДК 621.863:622.673.6
В.И. Галкин, А.М. Махоткин
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ РАЗГРУЗКИ ГОЛОВНЫХ КАНАТОВ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК
Рассмотрены схемы систем разгрузки головных канатов при рекон-струкции шахтных одноклетевых и двухскиповых подъемных установок для освоения глубоких добычных горизонтов. Дана оценка возможной степени разгрузки тяговых канатов и рациональности рассмотренных схем.
Ключевые слова: шахтный подъем, система разгрузки шахтньк подъемных канатов.
Переход к освоению месторождений полезных ископаемых глубокого залегания является одной из современных тенденций горнодобывающей отрасли промышленности. В связи с этим важное значение приобретает решение проблемы реконструкции шахтного подъема для обслуживания глубоких добычных горизонтов. В настоящее время свыше 90 % подъемных установок, используемых на отечественных горных предприятиях, являются одноканат-ными с барабанным приводом. Замена барабанных подъемных машин многоканатными шкивами трения на таких предприятиях приводит к существенной реконструкции не только подъемной системы, но и оборудования стационарного стволового комплекса.
Глубина шахт, обслуживаемых канатными подъемными установками с барабанным приводом, и соответственно высота подъема шахтных грузов ограничиваются рядом факторов, среди которых основными являются допустимое натяжение каната, воздействующего на обечайку канатоведущего органа, а также канатоемкость его поверхности при допустимом числе на-вивочных слоев [1]. Поэтому снижение тяговых усилий в головных канатах пу-
тем использования соответствующих систем разгрузки, на наш взгляд, является одним из перспективных направлений реконструкции шахтного подъема с барабанным приводом при переходе к разработке продуктивных горизонтов глубокого залегания.
Описание ряда схемных решений систем разгрузки тяговых канатов представлено в работах [2; 3], однако их промышленная реализация сдерживается из-за отсутствия обоснованных рекомендаций по конструктивному оформлению и расчету основных параметров. На рис. 1 представлены схемные решения систем разгрузки тяговых канатов однососудных барабанных подъемных установок с противовесом, наиболее характерных для шахтного вспомогательного (людского или грузолюдского) подъема.
Реализация разгрузки головных канатов по схеме а (рис. 1) представляется наиболее простой. Обычно в однососудной подъемной системе два головных каната ГК присоединены соответственно к подъемному сосуду ПС и противовесу Пр и связаны через направляющие шкивы НШ с одинарным разрезным или двойным барабаном подъемной машины ПМ. При реконструкции подъемной установки
,иш
ГКч
в
ПС
а
,ГК
РШ
пм
гк-
РК
гч
Пр
т
^К7РШ
РК
9г
7
¡уПУ ПС
■хкч
Рис. 1. Схемы систем разгрузки головных канатов однососудных подъемных установок
головной канат, на котором подвешен противовес, отсоединяется от канато-ведущего барабана и соединяется с подъемнным сосудом ПС. При этом канат, присоединенный к противовесу, выполняет роль разгружающего РК, а огибаемый этим канатом шкив становится разгружающим РШ, образуя вместе с РК систему разгрузки головного каната ГК, соединенного с подъемным сосудом.
После преобразования подъемной системы канатоведущий барабан подъемной машины ПМ приводит в движение один головной канат, необходимое тяговое усилие которого может быть уменьшено на величину усилия, создаваемого противовесом Пр в разгружающем канате РК. Для обеспечения постоянства разгружающего усилия подъемная система должна иметь хвостовой канатом ХК с линейной массой, равной линейной массе разгружающего каната (рхк = ррк). При соблюдении этого условия вес хвостового каната уравновешивается весом разгружающего каната и
не воспринимается головным канатом. Чтобы обеспечить центральное приложение тяговых усилий к подъемному сосуду количество разгружающих канатов должно быть не менее двух, как это показано справа внизу на рис. 1, а.
Если приводом подъемной системы является подъемная машина с двойным барабаном, количество разгружающих канатов может быть сокращено до одного при двух головных тяговых канатах [4]. Оба тяговых каната приводятся в действие синхронно с использованием соответствующих частей двойного барабана. В подъемную систему вводится дополнительный шкив, выполняющий роль разгружающего РШ.
Реконструкция подъемной установки по схеме б (рис. 1) потребует создания на шахтном копре дополнительной подшкивной площадки, располагаемой ниже верхней основной, на которой размещается спаренный или двухручьевой разгружающий шкив РШ при двух, как и в схеме а, разгружающих канатах РК. Центральное приложение усилий к подъемному сосуду обеспечивается трехлучевым балансирным устройством.
Одной из проблем, возникающих при реализации схемы б, является необходимость компенсации неравномерности вытяжки канатов в процессе эксплуатации подъемной системы, а также обеспечения постоянства расчетного натяжения разгружающих канатов. На рис. 1, а справа внизу показаны два варианта возможных технических решения указанной проблемы. При варианте А разгружающий шкив размещается на пружинном основании с предварительно сжатыми до расчетного усилия пружинами. Вариант Б предполагает удержание разгружающего шкива РШ в подвешенном состоянии
посредством уравнительного каната УК, огибающего уравнительный шкив УШ и загруженного уравнительным противовесом УПр. Вариант А представляется более простым для практической реализации, вариант Б надежно обеспечивает любую неравномерность вытяжки канатов, строго поддерживая постоянным натяжение разгружающих.
Следует отметит, что при реконструкции подъемной установки по схеме а (рис. 1) ее преобразование будет сопровождаться увеличением мощности привода из-за уменьшения массы противовеса. Чтобы исключить перетягивание порожней клети через разгружающий шкив РШ, масса противовеса в статическом положении должна быть не более собственной массы подъемного сосуда (тпр < тс). При отсутствии системы разгрузки масса противовеса однососудной установка обычно соответствует следующему соотношению:
Гпр = Тс + 0,5тф = гГр(Рс + 0,5), где тгр — масса груза, размещаемого в подъемном сосуде, равная его грузоподъемности, а рс = тс/тгр — степень массивности подъемного сосуда. Таким образом, в идеальном случае реконструкция подъемной установки по схеме а приведет к удвоению мощности подъемного двигателя и относительно небольшому увеличению удельного энергопотребления.
Реальная степень разгрузки тяговых канатов и соответственно масса противовеса при реконструкции подъемной установки по схеме а зависит от величины пускового ускорения при спуске порожнего сосуда. Чтобы исключить ослабление (напуск) тягового каната, его натяжение в начале спуска порожней клети должно быть не меньше натяжения разгружающего каната:
(ТрРс + РркН)(д - 31) > (ТрРсфр + + РркН)(д + 31), (1)
где ррк — линейная масса разгружающих канатов, кг/м; Н — полная высота подъема (спуска) подъемного сосуда между горизонтами его погрузки и разгрузки, м; д = 9,81 м/с2; а1 — пусковое ускорение подъемной системы, м/с2; фр — условная степень разгрузки головного каната, равная степени массивности противовеса (фр = тпр/тс, где тпр — масса противовеса).
Определим линейную массу разгружающих канатов так, как это выполняется при расчете тяговых канатов подъемных установок:
Ррк = дГгрРсфрДкРо/Ов = АркТгрРсфр, (2)
где пк — запас прочности каната по концевой статической нагрузке- р0 — условная плотность каната, кг/м ; ов — временное сопротивление разрыву проволок каната, Па; крк = дпкр0/ов — постоянная величина для канатов заданного типа и заданной маркировочной группы. Для канатов типа ТЁК-О по ГОСТ 3079—80 маркировочной группы по временному сопротивлению разрыву 1860 МПа условная плотность р0 в среднем составляет 9500 кг/м3, а о = 18,6-108 Па. При запасе прочности каната по концевой статической нагрузке пк для шахтных людских и грузолюдских подъемных установок 13 и 10 численное значение крк составит соответственно 6,51-Ю-4 и 5,01-10-4 м-1.
Решая неравенство (1) с учетом выражения (2), определим допустимую условную степень разгрузки тяговых канатов:
< д - а1
фр" д + аг(1 + 2крКН)'
Расчеты показали, что для людских подъемных установок при изменении высоты подъема с 600 до 2200 м и пусковом ускорении 0,5 и 0,75 м/с2
условная степень разгрузки фр уменьшается соответственно с 0,87 до 0,793 и с 0,813 до 0,713. В том же диапазоне высот подъема для грузо-людских подъемных установок при пусковых ускорениях 0,5 и 0,75 м/с2 условная степень разгрузки фр снижается соответственно с 0,877 до 0,816 и с 0,823 до 0,742.
При реконструкции подъемной установки по схеме б (рис. 1) с канатной подвеской разгружающего шкива РШ динамические усилия пуска системы разгрузки компенсируются аналогичными усилиями системы подвески УК—УШ—УПр и не отражаются на условной степени разгрузки фр, которая теоретически равна единице. Это положение подтверждено экспериментами на лабораторной установке, в процессе которых пусковые ускорения достигали 0,9 м/с2. Для обеспечения полной гарантии отсутствия напуска каната на опускающейся ветви ее значение можно принимать в интервале 0,95—0,9. Таким образом, реконструкция подъемной установки в соответствии со схемой б (рис. 1) может быть признана более
эффективной и предпочтительной.
На рис. 2 представлены схемы систем разгрузки головных канатов применительно к двухсосудным установкам, которые чаще всего используются при шахтном скиповом подъеме.
Схема а (рис. 2) предусматривает наличие индивидуальной системы разгрузки для каждого тягового каната двухсосудной подъемной установки и, по существу, является комбинацией двух подъемных систем, выполненных по схеме а (рис. 1), но имеющим один общий приводной барабан. Поэтому схеме а (рис. 2) свойственны те же эксплуатационные особенности, что и схеме а (рис. 1), главной из которых является снижение условной степени разгрузки фр (относительной массы индивидуальных противовесов Пр) по мере увеличения высоты подъема (глубины шахтного ствола).
Система подъема с индивидуальными разгружающими противовесами для каждого тягового каната может иметь один общий хвостовой канат [3], что приводит к уменьшению общей массы и длины используемых канатов при сохранении энергомеханических свойств
Рис. 2. Схемы систем разгрузки головных канатов двухсосудных подъемных установок
подъемной системы. Однако, в этом случае затрудняется использование подъемной установки для поочередного обслуживания нескольких добычных горизонтов шахты.
Схемы б и в (рис. 2) предусматривают использование в системах разгрузки одного общего для двух тяговых канатов разгружающего противовеса Пр, подвешенного посредством дополнительного шкива ДШ. В первом случае (схема б) противовес размещается в нижней части шахтного ствола (зупфе), во втором (схема в) — на поверхности шахты (на шахтном копре или в специальном помещении здания подъемной машины. Размещение общего противовеса в зумпфе упрощает реализацию реконструкции подъемной установки, однако, при этом примерно на две трети увеличивается общая масса задействованных канатов. Существенным недостатком этих схем является усложнение напряженного состояния разгружающих канатов вследствие изгиба на двух разгружающих шкивах РШ и одном дополнительном ДШ.
При реализации системы разгрузки по схеме г (рис. 2) с подвеской общего разгружающего шкива РШ посредством удерживающих каната УК, шкива УШ и противовеса Пр условия эксплуатации разгружающих канатов существенно улучшаются, что позволяет признать ее наиболее предпочтительной для двухсосудных подъемных установок. Условная степень разгрузки фр, обеспечиваемая схемами б, в и г (рис. 2), одинакова и при соблюдении условия рхк = ррк теоретически равна единице, как и для схемы б (рис. 1).
Относительное снижение расчетной статической нагрузки на головные тяговые канаты зависит от степени массивности подъемных сосудов рс и определяется следующим образом:
Я 5 гк 1 ^ Р с
5 гк = 57= 1 -ф рТГр: ,
где 5гк и ^ — расчетные концевые нагрузки соответственно на тяговый канат и на тяговый и разгружающие вместе.
Степень массивности используемых в горной промышленности неопрокидных клетей изменяется в широких пределах (рс = 0,53—2,525) и зависит от способа их изготовления (сварные или клепаные), способа подвески (одноканатные или многоканатные), количества этажей и грузоподъемности. Двухэтажные клети чаще всего обладают несколько большей массивностью по сравнению с одноэтажными. Массивность неопрокидных клетей для многоканатного подъема существенно выше, чем таких же клетей для одноканатных установок. Сварные клети являются более массивными по сравнению с клетями клепаной конструкции. Степень массивности шахтных неопрокидных скипов изменяется в более узких пределах (рс = 0,5—1,58). Угольные скипы обладают большей массивностью по сравнению с породными и рудными. Скипы с секторным затвором массивнее скипов с клапанным затвором. Как правило, степень массивности рс снижается с увеличением грузоподъемности клетей и скипов.
На рис. 3 представлены графики зависимости относительного снижения расчетной нагрузки на головной тяговый канат 5гк от степени массивности подъемного сосуда рс при различных значениях условной степени разгрузки фр.
Как видно из рис. 3, при средней степени массивности шахтных клетей 1,25^1,5 и реализации системы разгрузки тяговых канатов по схеме б (фр = 0,95^0,9) расчетное статическое усилие тягового каната может быть
■ 1
4 5
3 >
1
- -- —I - -ч
0.5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 ре Рис. 3. Зависимость относительного тягового усилия от степени массивности подъемного сосуда: 1, 2, 3, 4, 5 и 6 — при фр соответственно 0,95, 0,9, 0,85, 0,8, 0,75 и 0,7
уменьшено на 50—57,5 % или более, чем в 2 раза. Причем указанное уменьшение не зависит от высоты подъема (глубины шахтного ствола). При реализации схемы а (фр = 0,85^0,7) расчетное статическое тяговое усилие головных канатов снижается на 39—34 %, имея тенденцию к уменьшению по мере увеличения глубины шахтного ствола. Следовательно, реконструкция шахтного вспомогательного подъема в соответствии со схемой б (рис. 1) может быть признана более эффективной и предпочтительной.
Для двухскиповых подъемных установок наиболее рациональной является схема г (рис. 2), при которой можно обеспечить фр = 0,95^0,9. При сред-
1. Махоткин А.М. Предельная глубина шахт для подъемных машин с цилиндрическими барабанами и способ ее увеличения. — М.: Горное оборудование и электромеханика, №6, 2011 — С. 22—25.
2. Гришко А.П. Стационарны1е машины. Том 1. Рудничные подъемные установки. — М.: Изд. Горная книга — МГГУ, 2006, 2008 — 477 с.
3. Еланчик Г.М. Уравновешенные системы рудничного подъема. — М.: Углетехиз-дат, 1953. — 566 с.
ней степени массивности шахтных неопрокидных скипов 0,9ч1 реализация такой схемы разгрузки обеспечивает снижение расчетного статического тягового усилия на 43—52,5 %.
Снижение нагрузки на тяговые канаты в два раза позволяет увеличить канатоемкость навивочных поверхностей барабанных подъемных машин примерно в 1,4 раза и за счет снижения нагрузки на обечайку барабанов существенно увеличить глубину шахт, обслуживаемых барабанными подъемными машинами.
Оценивая в целом эффективность систем разгрузки для реконструкции канатных подъемных установок, следует отметить, что при соответствующем конструктивном исполнении они могут быть преобразованы в разгру-зочно-ловительные [5], обеспечивающие надежное улавливание сосудов и противовесов при обрыве тяговых канатов. При этом исключается необходимость использования традиционных шахтных парашютов и соответствующих тормозных канатов на людских и грузолюдских подъемных установках. Кроме того, при использовании систем разгрузки барабанная подъемная установка с одним тяговым канатом переводится в разряд многоканатных (трехканатных), что дополнительно повышает безопасность ее эксплуатации.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Патент Ш 2236370 С1, В66В15/00, 2003-02-12. Фурсов Е.Г. и др. Подъемная установка для горных работ. ФГУП «Гипро-цветмет».
5. Гудим С., Колесников А., Гришко А., Махоткин А. Некоторые направления совершенствования грузовых подъемных установок. — М.: ЛИФТИНФОРМ, №8 [167], 2011 —С. 34—37. Е2Е
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Галкин Владимир Иванович — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, Махоткин Александр Михайлович — аспирант,
Московский государственный горный университет, e-mail: ud@msmu.ru.
