CC BY
31
© В.И. Галкин, А.П. Гришко, A.M. Махоткин, 2014
УЛК 622.37
В.И. Галкин, А.П. Гришко, А.М. Махоткин
ГРУЗОПОДЪЕМНОСТЬ И ВЫСОТА ПОДЪЕМА ШАХТНЫХ БАРАБАННЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК С СИСТЕМОЙ РАЗГРУЗКИ ГОЛОВНЫХ КАНАТОВ
Дана оценка возможности увеличения грузоподъемности и высоты подъема путем использования систем разгрузки головных канатов на шахтных подъемных установках с барабанным приводом.
Ключевые слова: шахтный подъем, система разгрузки шахтных подъемных канатов.
Высота подъема и грузоподъемность шахтных подъемных установок с барабанным приводом, как известно [1], ограничивается рядом факторов, главным из которых является допустимая нагрузка на обечайку барабана. Покажем, как изменяются эксплуатационные параметры подъемных установок данного типа при использовании в их составе систем разгрузки головных канатов с подвесным разгружающим шкивом и дифференциальным противовесом [2], что является одним из способов реконструкции шахтного подъема в связи с переходом к освоению нижележащих продуктивных горизонтов или для достижения большей грузоподъемности и производительности.
Сравнительный анализ выполним применительно к двух-скиповому подъему с ориентацией на использование двухбара-банной подъемной машины 2Ц-6*2,8у, обладающей максимальной тяговой способностью (допустимое натяжение каната 5д = 560 кН и допустимая разность натяжений — статическое усилие Рд = 400 кН) и обеспечивающей возможность двухслойной навивки каната на канатоведущую поверхность. При этом будем ориентироваться на использование канатов маркировочной группы 1860 МПа со средней условной линейной плотностью 9500 кг/м3.
Подъемная машина стандартного ряда с одинарным разрезным барабаном ЦР-6*3/06 (¿д = 360 кН и Рд = 270 кН) принимается для шахтного однососудного (односкипового и однокдетевого) подъема с противовесом.
Предельная глубина шахты (высота подъема) по допустимой тяговой нагрузке ¿д на обечайку барабана определяется по формуле
Я =-
__1
^ (1+в)8
(1)
где ов — временное сопротивлению разрыву проволок каната, Па; т' — запас прочности по концевой статической нагрузке; д — ускорение свободного падения, м/с2; р0 — условная плотность головного каната, кг/м3; Qгр — грузоподъемность подъемного сосуда, кг; рс = Qс/Qгр — относительная массивность подъемного сосуда — собственная масса сосуда); Ьк — высота шахтного копра, м; Ьо — глубина опускания скипа ниже горизонта околоствольного двора для погрузки; 5гк — параметр, характеризующий относительное снижение статической концевой нагрузки тяговых канатов при использовании системы разгрузки:
8 = = = 1 - Ъ/Ъ' (2)
где ¿гк и — расчетные статические концевые нагрузки соответственно на тяговый канат и на тяговый и разгружающий канаты вместе; Рр = фpgQc — разгружающее усилие, реализуемое системой разгрузки тяговых канатов.
Для вариантов подъемных установок без системы разгрузки головных канатов 5гк = 1, а для установок, оснащенных системами разгрузки, этот параметр определяется следующим образом:
• для двухсосудных установок
А
1+в
• для однососудных установок с противовесом
8 = 1 ; (3)
8 = 1 ^^, (4)
гк ^ 1 + в '
где фр и фр — относительная степень разгрузки головных канатов, численное значение которых принимается равным 0,95 [2].
Относительная массивность рс подъемных сосудов определяется в соответствии со следующими эмпирическими формулами, полученными в результате численного анализа соответствующего статистического материала:
• скиповые установки
Д,к = 1,595/ Ор193; (5)
• клетевые установки
в,,= 1,051/ег0р21, (6)
где Qтр — грузоподъемность подъемного сосуда, т.
С учетом (3) и (4) выражение (1) может быть представлено в виде следующих расчетных формул:
• для двухсосудных установок
= --^--1
О (1 + вс (1 ))
Я =
гр V /с ^ 'V
• для однососудных установок с противовесом а
т£Ро
^__1
(7)
(8)
_ О (1 + в -Ф? (в + 0,5))
Лля подъемных установок без систем разгрузки головных канатов при высоте подъема более 600 м считается целесообразной подвеска равновесного хвостового каната с целью статического уравновешивания подъемной системы и соответствующего снижения удельного энергопотребления. Лля таких подъемных установок ограничение статического усилия /д подъемной системы, характеризующего нагрузку на коренной вал подъемной машины, имеет следующий вид:
О ^ Рп. (9)
Из выражения (9) следует, что допустимая грузоподъемность скипов для статически уравновешенных подъемных установок не зависит от глубины шахтного ствола (высоты подъема). При использовании подъемной машины 2Ц-6*2,8у (/д = =400 кН) допустимая грузоподъемность по фактору прочности коренного вала подъемной машины составляет около 40 т. Подъемные установки, оборудованные системами разгрузки
должны иметь в своем составе хвостовой канат с линейной массой, равной суммарной линейной массе разгружающих канатов [2]. В этом случае достигается максимальная степень разгрузки головных канатов без опасности перетягивания нижнего порожнего сосуда верхним сосудом и утяжеленным хвостовым канатом.
Следовательно, установки, оборудованные системами разгрузки головных канатов, являются статически неуравновешенными, и для таких установок условие (9) преобразуется в следующее:
gQгP + ёрН < Fд, (10)
где р — линейная плотность головного каната, кг/м; а Н — полная высота подъема, м.
Преобразовав условие (10) применительно к двухскиповой подъемной установке с заданной степенью разгрузки головных канатов, получим следующее выражение для определения предельной глубины шахты по фактору допустимой нагрузки на коренной вал подъемной машины:
и F / ёQ -1 Ятт = ■ " ) - К + К), (11)
тёРо 1 + вс (1 -4р )
где Ьп и Ьо — соответственно высота переподъема скипа над поверхностью шахты и глубина его опускания ниже погрузочного горизонта в шахте.
Результаты расчета предельной глубины шахты по формулам (7) и (11) применительно к двухскиповым подъемным установкам с неопрокидными скипами представлены на рис. 1.
График 1 на рис. 1 соответствует подъемной установке без системы разгрузки головных канатов, а график 2 — двухски-повой установке с указанной системой разгрузки. Результаты расчета Нст т в соответствии с выражением (11) представлены пунктирной линией 3. Две пунктирные горизонтальные линии (Нст.г = 2000^2200 м) отображают ограничение глубины шахты по нормативам запаса прочности головных канатов полной и концевой статическим нагрузкам одновременно. Вертикальная пунктирная линия отображает ограничение грузоподъемности по допустимой нагрузке на коренной вал подъемной машины для подъемной установки с равновесным хвостовым канатом без системы разгрузки головных канатов.
10 15 20 25 30 35 40 45 Ог„т
Рис. 1. Предельная глубина шахты в зависимости от грузоподъемности двухскипового подъема с подъемной машиной 2Ц-6*2,8у
Анализ графического материала на рис. 1 показывает, что использование систем разгрузки головных канатов позволяет существенно расширить область применения подъемной машины 2Ц-6Ч2,8у, как в отношении грузоподъемности, так и по высоте подъема (глубине шахтного ствола). Ограничение по прочности обечайки барабана (график 2 на рис. 1) допускает использование скипов грузоподъемностью 40 т при глубине шахты 800 м и скипов грузоподъемностью 30 т при глубине шахты 1800 м, тогда как, для установок без системы разгрузки головных канатов при указанных глубинах шахт допустимы скипы грузоподъемностью соответственно 22 и 16 т.
Однако следует отметить, что при использовании систем разгрузки головных канатов ограничение прочностью обечайки барабана отступает на второй план. Основным ограничивающим фактором становится прочность коренного вала подъемной машины (график 3 на рис. 1).
Вместе с тем, прочность коренного вала подъемной машины позволяет увеличить грузоподъемность скипа с 22 до 31 т при глубине шахты 800 м и с 16 до 22,5 т при глубине шахты 1800 м. Таким образом, использование систем разгрузки головных канатов позволяет увеличить грузоподъемность двух-скиповых подъемных установок в среднем на 40%.
Применение систем разгрузки головных канатов позволяет обеспечить существенное увеличение высоты подъема при неизменной грузоподъемности установки. Так, для двухскиповых установок грузоподъемностью 20 т предельная глубина шахты увеличивается с 1100 до 2000 м, для установок грузоподъемностью 25 т — с 500 до 1300 м, а скипы грузоподъемностью 30 т могут использоваться при глубине шахты до 800 м, в то время как, на установках без систем разгрузки их применение оказывается невозможным.
Как показали расчеты, ограничение высоты подъема (глубины шахты) по канатоемкости навивочной поверхности барабанов при их двухслойной навивке для двухскиповых подъемных установок с системой разгрузки головных канатов не является актуальным.
Лля однососудных установок с противовесом ограничение величины статического усилия /д подъемной системы имеет следующий вид:
а соответствующая указанному ограничению предельная глубина шахты определяется по формуле
Численный анализ показал, что для одноклетевых подъемных установок с противовесом, оборудованных системой разгрузки головных канатов, ограничение высоты подъема по прочности коренного вала в соответствии с выражением (8) не является актуальным, также как и ограничение прочностью обечайки барабанов. Определяющим является ограничение высоты подъема канатоемкостью навивочной поверхности последних.
Формулы для определения предельной глубины шахты по фактору канатоемкости навивочной поверхности барабанов в общем случае имеют следующий вид: • для двухсосудных установок
0,5^+%рН < ,
(12)
Нстт ' 1 + вс -^(в + 0,5)
V- 0,5
(13)
Н
п06 Бп(
(14)
• для однососудных установок с противовесом
ёвгр [1 + в (в + 0,5)]
4т'
- - 1р - 40, (15)
па„
где Об и В — соответственно диаметр и ширина барабана подъемной машины, м; псП — количество навивочных слоев на поверхности барабана (для скиповых подъемных установок псл = 2, а для вспомогательных людских и грузолюдских установок — псл = 1); е — величина зазора между витками, м; 1Р — резерв длины каната, м; г-ф — количество витков трения на поверхности барабана.
Н
ст.т <м)
2000 1600 1200 800 400 0
2400 2000 1600 1200 800 400 0
V
\ 'Л 3 _
\
\1
а 1
\
\ / 3 — —- —
\ 1
и I
10
15
20
25
30 0гр, т
Рис. 2. Предельная глубина шахты в зависимости от грузоподъемности одноклетевых людских (а) и грузолюдских (б) установок с подъемной машиной ЦР-6^3/0,6
На рис. 2 представлены результаты расчета предельной глубины шахты по формулам (8), (14) и (15) применительно к вспомогательным людским (см. рис. 2, а) и грузолюдским (см. рис. 2, б) одноклетевым подъемным установкам с противовесом, оборудованным подъемной машиной с одинарным разрезным барабаном ЦР-6* 3/0,6.
Графический материал на рис. 2 свидетельствует о том, что использование системы разгрузки головных канатов для вспомогательных одноклетевых установок позволяет значительно расширить область применения подъемной машины ЦР-6Ч3/0,6. Если при глубине шахты 800 м для людских установок без систем разгрузки головных канатов допустимы клети грузоподъемностью не выше 15 т (см. график 1 на рис. 2, а), то при использовании систем разгрузки грузоподъемность используемых клетей может быть увеличена до 35 т по фактору кана-тоемкости подъемной машины (см. график 3 на рис. 2, а). Клети грузоподъемностью 30 т могут использоваться при глубине шахты до 1200 м, а грузоподъемностью 20 и 25 т — при глубине шахты соответственно до 1700 и 1500 м.
Графический материал, представленный на рис. 3, позволяет оценить на сколько увеличивается предельная глубина шахт при использовании систем разгрузки головных канатов (графики 2) по сравнению с одноклетевыми установками без указанных систем разгрузки (графики 1 ).
На рис. 3 графики, изображенные сплошными линиями, соответствуют людским одноклетевым подъемным установкам с противовесом, а пунктирными — грузолюдским установкам. Использование системы разгрузки головных канатов для одно-клетевых грузолюдских подъемных установок (см. рис. 2, б) позволяет обеспечить несколько большее, чем для людских установок, увеличение грузоподъемности и высоты подъема, что связано с меньшей величиной запаса прочности головных канатов и соответствующим уменьшением их диаметра.
Кривые 2 на рис. 2 отображают ограничение глубины шахты допустимым натяжением головных канатов для установок с системами разгрузки.
Сравнение графического материала рис. 2 и 3 показывает, что использование систем разгрузки на шахтном одно-сосудном подъеме с противовесом обеспечивает более существенное расширение области применения подъемных
ы
ст.т (М)
2000
1600
1200
800
400
ч ^ \ Ч ч __
\ \ ч 2 - ——
1 - - -
10
15
20
25
30
Згр'т
Рис. 3. Предельная глубина шахты в зависимости от грузоподъемности по фактору канатоемкости для одноклетевого подъема с подъемной машиной ЦР-6^3/0,6
машин стандартного ряда, чем на двухсосудных (двухски-повых) подъемных установках.
Необходимо отметить, что, если задействовать двухбара-банную подъемную машину с двухслойной навивкой на одно-сосудном подъеме с противовесом и системой разгрузки головных канатов, то в этом случае ограничение высоты подъема по канатоемкости навивочной поверхности барабанов становится неактуальным, а определяющим будет ограничение глубины шахты по допустимым нагрузкам на обечайку барабана.
Однако, такой набор компонентов подъемной системы возможен только для односкиповых подъемных установок. Причем расширение области применения подъемных машин по высоте подъема и грузоподъемности скипов при использовании систем разгрузки головных канатов в этом случае становится более существенным по сравнению с таковым для людских и грузолюдских одноклетевых подъемных установок.
Применение двухбарабанных подъемных машин для людских и грузолюдских одноклетевых подъемных установок с противовесом является нерациональным, поскольку для таких установок Правила безопасности и отраслевые нормативы до-
пускают только однослойную навивку головных канатов на ка-натоведущую поверхность барабанов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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. Галкин В.И., Махоткин А.М. Оценка эффективности систем разгрузки головных канатов при реконструкции шахтных подъемный установок. — М: ГИАБ, №6, 2012 — С. 228-231. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Галкин Владимир Иванович - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Горная механика и транспорт», е-шаП: kafgmt@msmu.ru Гришко Анатолий Павлович, к.т.н., профессор кафедры «Горная механика и транспорт»,
Махоткин Александр Михайлович, аспирант кафедры «Горная механика и
транспорт»,
МГИ НИТУ МИСиС.
Galkin V.I., professor, dr. hab. Head of department "Mining mechanics and Transport", Phone: (495) 963-54-39. E-mail: kafgmt@msmu.ru Grishko A.P., Candidate of Engineering Sciences, professor, Makhotkin A.M., Graduate Student,
Moscow mining Institute National University of Science and Technology "MISIS" REFERENCES
1. Makhotkin A.M. The maximum depth of the mines for winding machines with cilin-drice-ski drums and the ways of its increase. Moscow, Gornoe oborudovanie i elektrome-khanika, no. 6, 2011, pp. 22-25.
2. Galkin V.I., Makhotkin A.M. Evaluation of the effectiveness of the systems of discharge heads-governmental ropes during the reconstruction of mining hoisting plants. No. Moscow, GIAB, no.6, 2012, pp. 228-231.
