CC BY
59
УДК 679.7
АНАЛИЗ И АСПЕКТЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КАНАТОВЬЮЩИХ МАШИН
© 2005 г. А.Ю. Дюмаев
Обрыв проволок
%
40
30
20
10
о
В горнодобывающей промышленности, как у нас в стране, так и за рубежом, применяются, в основном, канаты двойной свивки.
Во время работы подъемной машины на её тяговый орган - канат действуют различные статические и динамические нагрузки. В течение рабочего цикла канат испытывает знакопеременное кручение, многократный изгиб на шкиве и барабане, а проволоки каната в местах опирания на желоб шкива и барабана дополнительно испытывают высокие контактные напряжения. Каждая из указанных нагрузок имеет свои особенности и определенным образом влияет на напряженное состояние каната, образуя различные его дефекты.
До настоящего времени при изготовлении шахтных подъемных канатов совершенно не учитывалась подверженность их при эксплуатации деформации кручения, которая возникает от действия собственного веса каната.
Можно выделить ряд факторов, при которых производится браковка канатов [1]:
1. Характер и число обрывов проволок, в том числе наличие обрывов проволок у концевых заделок.
2. Местное сосредоточение обрывов на одной пряди.
3. Наличие в канате одной или нескольких оборванных прядей.
4. Уменьшение диаметра каната в результате поверхностного износа или коррозии на 7% и более по сравнению с номинальным диаметром.
5. Расслоение каната (выдавливание трех и более проволок) на участке каната длиной, равной шести диаметрам.
На основании анализа данных более 2000 канатов, снятых с эксплуатации на различных горнодобывающих предприятиях страны [2], были построены диаграммы, характеризующие основные причины их браковки (рис. 1). Из приведенных на рис. 1 диаграмм легко заметить, что основной причиной браковки канатов является обрыв проволок, а у канатов с металлическим сердечником - еще и нарушение структуры каната.
Недостаточная Причины Нарушение длина не установлены структуры
а)
Обрыв проволок
Нарушение структуры
Износ наружного слоя
Недостаточная длина
Причины не установлены
б)
Рис. 1. Основные причины браковки канатов: а - с органическим сердечником; б - с металлическим сердечником
Анализ эксплуатационных данных по канатам показал, что срок службы канатов составляет от 140000 до 300000 циклов работы [2].
Из литературных источников [3] установлено, что долговечность канатов можно увеличить на 50 ^ 60 % путем совершенствования технологии канатного производства.
Из этого следует, что увеличение срока службы канатов является актуальной задачей, требующей скорейшего решения путем разработки мероприятий по повышению их технического ресурса на этапе изготовления.
Рассмотрим некоторые эксплуатационные показатели канатов.
На глубоких шахтах при навеске канатов на подъемную установку (рис. 2а), когда можно считать, что
верхний конец отвеса жестко закреплен (х = 0), а к нижнему концу (х = Ь) подвешен груз весом Q , движущийся в направляющих, происходит кручение канатов под действием собственного веса, которое приводит к тому, что верхняя половина каната раскручивается, а нижняя закручивается [4], причем закон изменения деформации кручения ©(х) прямолинеен (рис. 26). Положительной деформацией кручения принято считать закручивание каната, при котором ©> 0.
Угол поворота сечения каната изменяется по параболическому закону (рис. 2в) принимает наибольшее значение в средней части каната, где © = 0, и обращается в нуль на его концах. Было установлено, что величина деформации кручения в этом случае не зависит от концевой нагрузки и выражается формулой [4]:
© = --
C
AB - C
2
L - 2 x >-
2
(1)
где А, В, С - обобщенные коэффициенты жесткости каната; р - погонная масса каната, (кг/м); Ь - длина отвеса каната, (м); х - текущая координата расположения сечения каната (м).
© = dфx/dx ф
Q
а)
б)
в)
Рис.
2. Схема работы шахтного подъемного каната: а - схема навески; б - эпюры крутильных деформаций; в - эпюра углов поворота
Результатом кручения канатов на шахтном подъеме является изменение его параметров свивки (шага и угла свивки) по его длине х . По изменению параметров свивки можно судить о кручении каната. Очевидно, шаг свивки каната при крайнем нижнем положении объекта в верхней части отвеса каната будет максимальным, а в нижней - минимальным, и только в средней части отвеса каната величина шага свивки останется неизменной и будет соответствовать ГОСТу. Так при величине отвеса Ь = 650 м шаг свивки в крайних положениях объекта может отличаться от тестированного значения на 10 ^ 15 %.
Изменение шага свивки каната за счет деформации кручения в шахтных подъемных канатах нередко приводит к образованию структурных дефектов. Это связано с тем, что кручение каната сопровождается
неблагоприятным перераспределением напряжений между составляющими его элементами: одни пряди, а также слои проволок разгружаются, а другие оказываются перенапряженными, что существенно влияет на срок службы канатов.
В процессе работы каната неравномерно натянутые его элементы под действием внутренних сил стремятся уравнять натяжение, однако силы трения в канате препятствуют этому. Многократный изгиб каната на шкиве и барабане значительно уменьшает противодействие внутренних сил трения, за счет чего неравномерно натянутые элементы получают относительные остаточные смещения, направленные в сторону выравнивания распределения осевого усилия по их длине.
Таким образом, становится очевидной необходимость разработки совершенно новых принципов конструирования, технологии изготовления и навески канатов для обеспечения наиболее полной компенсации величины деформации кручения, возникающей в процессе их эксплуатации.
Компенсировать деформацию кручения, возникающую при навеске каната от действия собственной силы тяжести, можно путем изменения по длине каната шага и угла свивки в процессе его изготовления [5].
При этом расчетная деформация кручения © р,
соответствующая требуемым параметрам свивки, должна иметь величину исходной деформации ©, определяемой выражением (1), но с противоположным знаком:
© р =-©.
В этом случае после навески каната технологическая деформация кручения в нем компенсирует деформацию кручения, возникающую от действия собственного веса, и канат приобретает по всей длине одинаковые параметры свивки. Очевидно, что срок службы и наработка каната, изготовленного с переменным шагом свивки, будут существенно выше изготовляемых по существующей технологии.
В настоящее время для изготовления стальных канатов применяются различные типы свивальных машин, отличающиеся кинематикой свивки проволок и прядей [4].
Основные из них - это канатовьющие машины корзиночного, сигарного, безроторного типа и двойной скрутки.
В машинах корзиночного типа зарядные шпули расположены в роторе концентрично вокруг оси машины, за счет чего они имеют большие поперечные размеры. На машинах этого типа существует принципиальная возможность реализации регулируемой подкрутки свиваемых элементов на любую заданную величину. Они тихоходны и применяются, в основном, для свивки канатов больших диаметров, много-прядных канатов, канатов закрытой конструкции, а также фасонных прядей.
Скоростные трубчатые (сигарные) машины составляют основу технологического парка канатных
цехов ввиду высокой производительности. Их недостатком является невозможность регулирования от-крутки зарядных шпуль.
Заметной тенденцией в производстве канатов в мировой практике является все более широкое применение безроторных (бугельных) машин, преимущества которых заключается в более высокой производительности и большой емкости шпуль при меньших энергозатратах и снижении шума и вибрации.
В последние годы ведущие фирмы активно занимаются разработкой и внедрением в канатное производство машин двойной скрутки. Эти машины по сравнению с сигарными занимают в два раза меньшую площадь, а имеют производительность в два раза выше, что позволяет увеличить объем продукции с единицы производственной площади в 3-5 раз. Кроме того, они потребляют в 2-3 раза меньше электроэнергии при значительно меньшем уровне шума и вибрации. Установка шпуль на неподвижном шпулярнике позволяет применить шпули большей емкости и увеличить время между перезарядками в 10 раз. Однако обязательным условием применения машин двойной скрутки является использование проволоки высокого качества, так как процесс свивки сопровождается кручением проволок. При наличии же дефектов проволок наблюдаются частые их обрывы.
Развитие конструкций свивальных машин всех типов связано не только с высокой производительностью, но и с возможностями изготовления канатов высокого качества.
Канаты диаметрами до 35 мм можно свивать на машинах различного типа. Для производства канатов двойной свивки диаметром более 35 мм используются машины корзиночного типа.
Суть процесса изготовления каната на машинах корзиночного типа заключается в свивке прядей, сходящих с разрядных катушек, которые расположены на каретках внутри ротора канатовьющей машины [4]. При этом сохраняется постоянство положения оси зарядных катушек в пространстве при повороте их на определенный угол независимо от вращения ротора. Машина имеет механизмы для нанесения смазки на канат и учета длины изготовляемого каната. Роторные канатовьющие машины в основном горизонтальные, они работают при небольших числах оборотов (50 ^ 70 об/мин). Большие вращающиеся массы зарядных катушек с прядью, недостаточная балансировка всей массы ротора с катушками и развиваемые ими центробежные силы ограничивают скоростной режим работы машин этого типа.
Однако именно эти машины составляют основной парк канатовьющих машин как у нас в стране, так и за рубежом. Схема канатовьющей машины роторного типа представлена на рис. 3. Она имеет один приводной электродвигатель 1, механически связанный через реверсивный редуктор 2 с ротором 3, а через систему редукторов 4 и 5 - с тяговым барабаном 6. На конце полого вала ротора 3 смонтировано преформирующее устройство 7. После тягового барабана 6 расположена система смазки 8.
7 9 10 6
Г
12
Рис. 3. Схема канатовьющей машины роторного типа
Канат, проходя через обжимное устройство 9, расположенное на отдельном основании, далее поступает на рихтующий механизм 10, установленный между обжимным устройством 9 и тяговым барабаном 6. Готовый канат с тягового барабана через канатоукладчик 11 подается на приемный механизм 12. Реверсивный редуктор 2 дает возможность изменять направление вращения ротора 3, что позволяет свивать канаты с различным направлением свивки (правой и левой).
Свивка каната осуществляется при вращении ротора 3 и одновременной протяжке каната тяговым барабаном 6. Установка шага свивки производится путем корректирования соотношения скоростей вращения тягового барабана 6 и ротора 3 за счет изменения передаточного числа редуктора 2.
Элемент каната (проволока или прядь) после свивки принимает форму винтовой линии. Формирование прямой проволоки или пряди в винтовой элемент каната сопровождается изгибом и кручением, поэтому ее напряженное состояние и качество свивки каната в значительной мере зависят от способа установки зарядной шпули, обеспечивающего вращение шпули относительно оси свиваемого элемента.
Машина с одноприводной конструкцией не позволяет свивать канаты с переменным шагом свивки. В свое время у нас в стране была разработана кана-товьющая машина [6], имеющая два раздельных привода ротора и тягового барабана. Данная машина не получила должного применения из-за отсутствия системы управления скоростью вращения тягового барабана. Поэтому при изготовлении канатов с переменным шагом свивки [5] его изменяли не плавно, а ступенчато.
На качество изготовляемого каната влияет угол поворота зарядной рамы. В машинах различных конструкций реализуются следующие варианты поворота зарядной шпули при одном обороте свивального ротора на (одином шаге свивки каната) [4]: жестко закреплена на вращающемся роторе; она сохраняет свое положение в пространстве; она кинематически связана с приводом машины с возможностью регулируемой подкрутки свиваемых элементов.
Важным элементом канатовьющей машины, влияющим на качество изготовляемого каната, является устройство, обеспечивающее равномерное натяжение прядей, т.е. тормозное устройство [3]. Наиболее распространенными тормозными устройствами канатовьющих машин являются ленточные тормоза.
4
5
Ленточное натяжное устройство не обеспечивает равномерное натяжение прядей свиваемого каната, так как усилие затяжки задается вручную без применения каких-либо контрольных приборов. В процессе работы канатовьющей машины изменяется радиус намотки зарядной катушки, что также приводит к изменению натяжения прядей. Кроме этого, происходит вытяжка тормозной ленты, в качестве которой часто используется пеньковая веревка, а также изменяется коэффициент трения между лентой и тормозной шайбой при попадании туда смазочных материалов.
Таким образом, натяжное устройство ленточного типа не позволяет изготовить канаты с равномерным натяжением элементов каната при его свивке.
прядей при свивке каната; регулируемую подкрутку кареток зарядных шпуль; регулируемую подкрутку сердечника; большое тяговое усилие вытяжного механизма, позволяющее свободно производить дополнительную упругопластическую обработку свиваемых прядей и каната в целом; контролируемое усилие прижатия свивальных плашек; автоматизированный контроль всех технологических параметров процесса свивки каната.
Выполнить поставленные требования возможно путем совершенствования самой машины и создания на ее базе мехатронного канатовьющего комплекса, сочетающего высокий уровень механической конструкции, средств современной автоматики и компьютерного управления. Для этого была разработана схема мехатронной системы управления канатовьющей машиной (рис. 4).
Подсистема регулирования открутки зарядных шпуль
Рис. 4. Схема мехатронной системы управления канатовьющей машиной
В ряде машин применяются натяжные устройства ленточного типа, позволяющие компенсировать изменение натяжения прядей, связанное с уменьшением радиуса намотки зарядных катушек. Это осуществляется за счет изменения натяжения пружины ленточного тормоза прямо пропорционально изменению радиуса намотки зарядной катушки. Однако натяжное устройство данной конструкции, так же не позволяет одновременно поддерживать равномерное технологическое натяжение всех элементов каната, так как величина прижатия пружины для каждой зарядной катушки в отдельности устанавливается вручную.
Помимо рассмотренных выше существуют натяжные устройства с генераторами постоянного тока, с электрическими машинами переменного тока, с объемными гидронасосами, на базе гидравлических машин поступательного действия [3].
Качественный и количественный анализ применяемых в настоящее время натяжных устройств [7] показал, что все они не обеспечивают равномерного и постоянного натяжения элементов каната при свивке. Неравномерность натяжения элементов каната в процессе свивки вызывает дополнительные деформации проволок, изменяющие их параметры и приводящие к разности длины элементов в готовом канате. В результате образовываются дефекты в виде расслоения и вспучивания проволок и прядей при эксплуатации каната, что приводит к уменьшению срока службы канатов.
Для получения требуемого качества каната необходимо обеспечить в процессе его изготовления на канатовьющей машине: выравнивание натяжений
Все подсистемы такого комплекса взаимосвязаны функционально и управляются от ЭВМ. Задающими параметрами здесь являются закон изменения шага свивки по длине каната, ГОСТ, по которому изготавливается канат, натяжение прядей в процессе свивки, усилие обжатия, способ открутки зарядных шпуль.
Литература
1. Короткий А.А., Хальфин М.Н., Иванов Б.Ф., Котельников В.С., Липатов А.С. Канаты стальные. Контроль и нормы браковки: Руководящий документ. РД РОСЭК 012-97/ Госгортехнадзор России. Новочеркасск, 1997.
2. Ксюнин Г.П., Хальфин М.Н., Короткий А.А. Исследование стойкости шахтных подъемных канатов. // Изв. вузов. Горный журн. 1983. № 10. С. 72-74.
3. Рыжиков В.А. Натяжные устройства канатовьющих машин. Новочеркасск, 1994.
4. Малиновский В.А. Стальные канаты. Ч. 1. Одесса, 2003.
5. Малиновский В.А., Малявицкий Н.Ф., Мищенко А.А. Адаптированные шахтные подъемные канаты с переменным шагом свивки // Стальные канаты: Сб. науч. тр. Одесса, 2003. С. 9-15.
6. А.с. №1139780 (СССР) Канатовьющая машина / М.Н. Хальфин, А.А. Короткий, А.Б. Гуревич, В.И. Царюк - Заявл. 23.11.83, №3664040, опубл. 15.02.85, МКИ Д07В 3/06, Б.И. 1985. № 6.
7. Шошиашвили М.Э., Духопельников В.Д., Дюмаев А.Ю. Анализ стабилизирующих свойств натяжных устройств канатовьющего комплекса // Новые технологии управления движением технических объектов: Материалы 4-й Междунар. науч.-техн. конф. Новочеркасск /Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Ростов н/Д, 2001. Т. 1. С. 82-85.
20 декабря 2004 г.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)
