Динамика предохранительного торможения шахтных подъёмных установок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© Д.К. Малиновский, Я.А. Сидаш, Е.И. Воронко, Д.С. Устинова, 2013

УДК 614.841.345

А.К. Малиновский, Я.А. Сидаш, Е.И. Воронко, A.C. Устинова

ДИНАМИКА ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ УСТАНОВОК

Рассмотрены динамические процессы, протекающие при аварийной остановке шахтной подъёмной установки под действием только предохранительного тормоза, а также в режиме одновременного действия механического и электрического тормозов. Даётся сравнительный анализ этих процессов на основании данных, полученных в результате математического моделирования на ЭВМ.

Ключевые слова: шахтная подъёмная установка, предохранительное торможение, режим одновременного действии, динамическое торможение.

Приведенные в работах [1, 2] исследования показали возможность применения режима динамического торможения асинхронной машины одновременно с механическим (предохранительным) тормозом при аварийной остановке шахтной подъёмной машины без превышения существующих норм на величину замедления при условии соответствия параметров тормозных устройств шахтной подъёмной установки (ШПУ) конкретной шахты. Однако ШПУ представляет собой сложную электромеханическую систему (ЭМС), состоящую из инерционных тел (ротор электродвигателя, органов навивки, подъёмных сосудов и др.), связанных между собой упругими звеньями (канатами, валопроводами и др.).

От изменения внешних сил (при внезапном их приложении или снятии, при скачкообразном характере момента двигателя и др.) в элементах ШПУ возникают колебательные переходные процессы, вызывающие в упругих звеньях как дополнительные динамические нагрузки, так и их снижение. Особенно опасно снижение усилия в канате при подъёме груза в момент его торможения, так как в этом случае подъёмный сосуд обгоняет канат. Замедляясь после набегания на канат, сосуд рывком выбирает образовавшуюся петлю каната, что приводит не только к нежелательным перенапряжениям, но и к его обрыву. Рассмотрим процесс аварийной остановки ШПУ с учётом упругости каната.

V,

Vc

Рис. 1. Расчётная схема ШПУ

Расчётная схема одноконцевой подъёмной установки приведена на рис. 1. Масса барабана mi и масса подъёмного сосуда m2 связаны между собой упругим звеном (канатом), обладающим жёсткостью C12. На массу барабана mi действует движущая сила Fa, а на массу подъёмного сосуда тг — сила Fc, представляющая статическое (внешнее) сопротивление движению массы сосуда. Принимаем канат за невесомую упругую и вязкую нить, что вполне допустимо для глубоких шахт. Силы упругости в канате пропорциональны деформации каната, а сила внутреннего трения (вязкости) пропорциональны скорости деформации, Тогда усилие в канате будет

FK= ± Ci2(xi - хг) ± bi2Ci2pxi - Х2), (1)

где C12=ES/0 — жёсткость каната, Н/м; Ь2 — параметр вязкости, с; E— эквивалентный модуль упругости каната, Н/м2; S — эквивалентное поперечное сечение каната, м2; xi и х2 — соответственно перемещения барабана mi и подъёмного сосуда тг, м; px-\ и px2 — соответственно производные от xi и х2, м/с. Здесь и ниже верхние знаки соответствуют режиму подъёма груза, нижние - спуска.

До торможения элементы ЭМС находились в установившемся движении со скоростью V (при подъёме) или со скоростью V (при спуске), при котором вес P2 = m2g уравновешивается силой F, развиваемой двигателем и приложенной к массе mi. В начальный момент канат растянут весом Р2, масса т2 смещена на x20 = Рг/c.

Поведение электромеханической системы ШПУ в период аварийной остановки при подъеме и отсутствии набегания сосуда на канат F > 0 описывается следующей системой дифференциальных уравнений

mp2xi = -Ci2(xi - x2) - b2Ci2pxi - x2) - FrJt) -

m2p2x2 = -Ci2(xi - x2) - bi2 Ci2pxi - x2) - m2g,

где p2xi и p2x2 — вторые производные от x^l и x2; F^^t — усилие, создаваемое механическим тормозом; FTa(t) — усилие, создаваемое подъемным двигателем, работающим в режиме динамического торможения.

Преобразуем систему уравнений (2) в удобную для моделирования форму

p2x1 = — [-C12(xi - x2) - b12C12pxi - x2) - F,M(t) - КМ ;

mL

>

p2x2 =-[-C12(xi - x2) - Ь12 C12pxi - x2) - m2g],

m2

Системе дифференциальных уравнений (2) соответствует структурная схема, приведенная на рис. 2.

В настоящее время для повышения эффективности предохранительного торможения снижается время холостого хода с txx= 0,5 с до tx.x = 0,2 с и увеличивается максимальное тормозное усилие с F = 3 до F = 5. Рас-

1 т.м. max т м. max

смотрим переходный процесс аварийной остановки ШПУ для этих условий.

Рис. 2. Структурная схема электропривода ШПУ в режиме одновременного действия электрического и механического тормозов

На рис.3, а приведены осциллограммы переходного процесса при аварийной остановке ШПУ (где Ц — линейная скорость движения барабана; Ц — линейная скорость движения подъемного сосуда). Кривые 1 принадлежат режиму аварийной остановки ШПУ под действием только предохранительного тормоза, ко-

гда

F.. = F

1 - exp

( t ^ T

т.м у

(где FT = F/F — усилие предохранитель-

ного тормоза в относительных единицах F = F / F = 3 , время холосто-

1 т.м. max т. м. max с 71

го хода txx = 0,5 с и механическая постоянная времени ттм= 0,65 с). Кривые 2, 3 получены соответственно при торможении только предохранительным тормозом с параметрами: F*. м. max = 3 и tx.x = 0,2 с; FTм. max = 5 и tx.x = 0,2 с.

На рис. 3, б приведены осциллограммы усилия в канате FK в относительных

единицах для тех же режимов аварийной остановки ШПУ.

Результаты обработки осциллограмм, приведенных на рис. 3, сведены в табл. 1.

Анализ данных табл.1 показывает, что снижение времени холостого хода с txx = 0,5 с до tx,x= 0,2 с приводит к снижению как пути торможения на 8 %, так и максимального усилия в канате на 5,5 %, но одновременно с этим увеличивается скорость Vxx на 6,8 %, а вместе с ней - и кинетическая энергия вращающихся и поступательно движущихся частей ШПУ - на 14,2 %.

Наилучшие показатели имеет режим аварийной остановки ШПУ, если F^^^ = 5 и txx= 0,2 с. Путь торможения снижается на 22,0 %, а максимальное усилие в канате увеличивается лишь на 14,8 %.

Таблица 1

F,™ tT, с hT, м F . к. min Fmax acp, м/с Vxx, м/с

3 2,843 16,11 134 376 3,517 8,91

3 2,643 14,85 126 355 3,77 9,52

5 2,198 12,69 84 432 4,55 9,34

Рис. 3. Графики скорости (а) и усилия в канате (б) при аварийной остановке ШПУ под действием только предохранительного тормоза

ста* т, с Ьт, м Г . к т1п аср, м/с V.*, м/с

0 2,843 16,11 134 376 3,517 8,9

1 2,618 14,34 118,5 350 3,82 8,6

2 2,448 12,97 105 360 4,08 8,37

3 2,307 11,87 81 390 4,39 8,05

На рис. 4, а приведены осциллограммы переходного процесса при остановке ШПУ под действием только предохранительного тормоза (где V — линейная скорость движения барабана; V — линейная скорость движения подъемного сосуда). Кривые 1 получены при торможении под действием только предохранительного тормоза с /"Гм.тах = 3 и /*.* = 0,5 с. Кривые 2, 3 и 4 получены при торможении ШПУ под действием двух тормозов соответственно: механического м.тах = 3 , *.* = 0,5 с, величина которого неизменна и электрического тормоза, величина которого варьировалась от ^Гдта* = 1 (кривая 2) до

^д.т™ = 3 (кривая 4).

Результаты обработки осциллограмм, приведенных на рис. 4 сведены в табл. 2.

Анализ результатов переходного процесса при аварийной остановке ШПУ показывает, что применение режима одновременного действия двух тормозов приводит к существенному увеличению замедления на 24,8 % и соответственно к снижению пути торможения на 26,4 % по сравнению с торможением только предохранительным тормозом. Возрастает максимальное усилие в канате на 3,7 % и на 39,6 % снижается минимальное усилие. Но остается достаточным, чтобы избежать набегание подъемного сосуда на канат.

Одновременно с этим необходимо отметить снижение скорости, при которой тормозные колодки соприкасаются с ободом барабана. Так, например, в РОЛ двух тормозов при = 3 скорость в момент времени ** =

0,5 с равна V= 8,05 м/с, что соответствует ее снижению на 9,6 %. А это, в свою очередь, приводит к снижению на 18,2 % кинетической энергии системы, подлежащей гашению колодками предохранительного тормоза. Межремонтный срок увеличивается, а с ним повышается и производительность ШПУ.

Таким образом, сравнивая два наиболее эффективных способов снижения пути торможения при аварийной остановке ШПУ приходим к выводу, что предпочтительным будет торможение в режиме одновременного действия механического и электрического тормозов (ЕГмтах = 3 , = 0,2 с и = 3).

Путь торможения снижается при на 27,4 %, максимальное усилие в канате увеличивается лишь на 3,7 %, снижается скорость V*.* на 9,6 %, а с ней и кинетическая энергия системы на 18,2 %.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Малиновский А.К, Щуцкий В.И. Режим одновременного действия тормозных систем шахтной подъемной машиной как средство повышения надежности аварийного торможения. Горный журнал, №6, 2001, С. 129—133.

2. Малиновский А. К., Лебедев С.В., Мар-тыненко Д.Н. Режим одновременного действия механического и электродинамического тормозов при аварийной остановке шахтной подъемной машины. Горные машины и автоматика, №11, 2001, С. 28—30. ЪШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Малиновский Анатолий Кузьмич — доктор технических наук, профессор, Сидаш Ярослав Александрович — аспирант, Воронко Екатерина Игоревна — магистр, Устинова Анна Сергеевна — магистр.

Московский государственный горный университет, ud@msmu.ru

А

ГОРНАЯ КНИГА

Методы определения параметров отвалов и технологии отвалообразования на склонах

A.M. Гальперин, Ю.И. Кутепов, Г.М. Еремин 2012 г. 104 с.

ISBN: 978-5-98672-333-4 UDK: 622.693.26

Приведены основные научно-методические и технологические положения по определению параметров отвалов и технологии отвалообразования в различных зонах и условиях от отвалов небольшой высоты до высоких (до 200—300 м и больше). Показаны особенности возникновения деформаций отвалов на склонах, объяснены их причины и предложены эффективные мероприятия по снижению деформаций отвалов при влиянии трещинных и паводковых вод, выходящих на склоны, а также при ливневом насыщении пород водой регулированием интенсивностью отсыпки пород в отвалы и отводом воды за счет создания водоотводящих каналов. Приведены примеры реализации методов посредством создания высоких отвалов большой вместимости в различных условиях.

Для работников научно-исследовательских, проектных организаций и инженерно-технических работников, осуществляющих непосредственное производство работ на карьерах.