Метод определения основных характеристик шахтных подъемных установок в режиме реального времени Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

------------------------------------------------- © М.А. Стрелков, 2011

УДК 622.67 М.А. Стрелков

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Разработан метод определения характеристик шахтных подъемных установок в режиме реального времени на основе данных регистраторов параметров. Особое внимание уделено вычислению параметров, необходимых для определения нагрузок в элементах установки при предохранительном торможении.

Ключевые слова: шахтные подъемные установки, регистраторы параметров, предохранительное торможение.

огласно ПБ 03-553-03 [1] все

шахтные подъемные установки должны быть оснащены устройствами для регистрации основных параметров. Регистраторы выполняют непрерывный мониторинг режимов работы шахтной подъемной установки, поэтому позволяют получить характеристики ее элементов на основе объективных данных и отслеживать изменения этих характеристик с течением времени [2]. Это дает возможность постоянно оценивать процессы, происходящие при работе шахтной подъемной установки, и использовать их для оценки остаточного ресурса.

Для установок с приводом постоянного тока регистратор параметров вычисляет момент, развиваемый подъемным двигателем [3] и усилие на ободе барабана. На участке равномерного движения подъемных сосудов это усилие совпадет со статической нагрузкой Fст(x), образуемой натяжением канатов. Поскольку статическое усилие является линейной функцией относительно положения сосуда в стволе, его также можно определять по данным регОдригоризларжааейших динамических параметров является ускорение системы, которое может быть вычислено как вторая

производная от перемещения подъемных сосудов или первая производная от скорости, постоянно фиксируемых регистратором параметров. Регистраторы измеряют окружную скорость барабана подъемной машины, соединенного упругим канатом с подъемным сосудом. Ускорение подъемного сосуда, полученное измерением динамических характеристик движения сосуда в шахтном стволе [4] приведено на рис. 1. Из рис. 1 видно, что при технологическом режиме работы установки вычисленное ускорение барабана подъемной машины незначительно отличается от ускорения сосуда.

При предохранительном торможении подъемной установки, после остановки подъемной машины, натяжение подъемных канатов будет максимальным — к статическому натяжению подъемного каната добавляется динамическая составляющая, изменяющаяся по периодическому закону с частотой свободных колебаний. Процесс предохранительного торможения при скорости сосудов более 1 м/с следует рассматривать особо, поскольку элементы подъемной установки испытывают значительные нагрузки, вызванные свободными колебаниями подъемных сосудов.

Для расчета динамических нагрузок необходимо знать тормозную характеристику подъемной машины, кинематические характеристики подъемной установки в момент наложения предохранительного тормоза, упругие и диссипативные свойства подъемного каната. Перечисленные данные используются для математического моделирования процесса предохранительного торможения с целью расчета динамических нагрузок на подъемную установку.

Неуравновешенная двухконцевая подъемная установка может быть представлена системой с тремя степенями сво-

пряжения сжатия, а их масса учтена по методу Релея, поведение подъемной установки описывается системой дифференциальных уравнений второго порядка [5].

mxx = Ду (у - x) + Дz (z - x) + су (У - x) +

+Cz (z - Х )- Fm - Fcm + Fde ,

• my>} = Ду (x - У)+ Cy (x - У)-Ry , (1)

mzZ = Дz (X - Z )+ Cz (X - Z )- Rz ,

где mx, my, mz - приведенные к органу навивки массы машины, груженой и порожней ветвей канатов соответственно, включающие треть массы головных канатов; су, с: - жесткости канатов груженой и порожней ветвей; цу,

- коэффициенты диссипации канатов груженой и порожней ветвей; Fm - тормозное усилие; Fde - сила, развиваемая двигателем подъемной машины; Ry, Rz - силы внешнего трения, действующие на подъемные сосуды за счет трения в проводниках и аэродинамического сопротивления движению подъемных сосудов; Fcm - статическая нагрузка, воздействующая на подъемную машину из-за разности масс груженой и порожней ветвей.

Значения коэффициентов в уравнениях (1) и величины действующих усилий могут быть определены по данным регистратора параметров. Силы внешнего трения, которыми зачастую пренебрегают, определяются по величине статического усилия при известных массах каната и поднимаемого груза. Приведенные массы подъемных сосудов вычисляются по паспортной документации. Величина

Скорость

J Вычисленн

К '/ ie ускорение^^^,/^

Ускорение с датчика у1

Положение скип Ток якоря

Рис. 1. Сравнение графиков ускорения барабана подъемной машины (вычисленное ускорение) и ускорения движения подъемного сосуда (ускорение с датчика на сосуде)

боды. При описании канатов упругой и

Рис. 2. Процесс предохранительного торможения при спуске груза; ^ - время холостого хода, ^ - время срабатывания тормоза, - время торможения подъемной машины

тормозного усилия может быть получена по показаниям датчиков тормозных тяг. Для этого необходимо определить значение коэффициента пересчета величины деформации в фактическое усилие.

Процесс торможения разделяют на три этапа: холостой ход тормоза, время срабатывания тормоза, время торможения машины. При наложении предохранительного тормоза при спуске груза после отключения подъемного двигателя система начинает ускоряться. По окончании холостого хода, ускорение начинает уменьшаться и сменяется замедлением в точке х0 (см. рис. 2). В этой точке ускорение подъемной машины равно нулю, а статическое усилие совпадает с тормозным

(Х0) = Fm(х0). (2)

Статическое усилие рассчитывается по данным регистратора, соответственно можно вычислить тормозное усилие в любой момент времени.

Величина приведенной массы подъемной машины тх значительно влияет на решение системы (1), поэтому от точности ее определения зависит точность нахождения параметров предохранительного торможения и свободных колебаний элементов системы после остановки барабана подъемной машины.

Замедление (ускорение) машины под воздействием суммы сил при допущении, что подъемная установка представлена системой с одной степенью свободы, т.е. все массы сосредоточены в одной точке, определяется формулой

а = -

т + т + т +

х у z

(3)

где тк - суммарная масса канатов груженой и порожней ветвей.

Замедление (ускорение) свободного выбега подъемной машины при отключении подъемного двигателя

т + т + т +-

х у z

отсюда

- р

——-т - т------

а у 3

(4)

(5)

Одним из методов определения приведенной массы подъемной установки является проведение эксперимента, в котором при равномерном движении порожнего и груженого подъемных сосудов через точку перевеса (точку, в которой система уравновешена при отсутствии груза в сосудах) двигатель отключается. Система движется по инерции в режиме свободного выбега и замедляется (ускоряется) под действием статической силы, образуемой весом поднимаемого груза и небольшими силами сопротивления движению, которыми, как правило, пренебрегают. При подъеме груза с постоянной скоростью замеряют время, прошедшее с момента отключения двигателя до момента остановки барабана подъемной машины, после которого он начнет вращаться в обратную сторону. Зная начальную и конечную скорость движения, вычисляют среднее ускорение свободного выбега и находят приведенную массу подъемной установки тх.

Для осуществления описанного метода необходимо найти точку перевеса. Это можно сделать экспериментальным путем, пытаясь растормозить подъемную машину в разных точках шахтного ствола, или воспользоваться информацией с регистратора параметров. При перегоне порожних скипов в точке перевеса происходит смена знака тока якоря подъемного двигателя постоянного тока.

Проведение испытаний подъемной установки в режиме свободного выбега связано с необходимостью отключения некоторых защит, поэтому к ним прибегают только в крайних случаях.

т

к

3

т

тх =

При наложении предохранительного тормоза подъемный двигатель отключается, в период холостого хода тормозное усилие равно нулю и система движется в режиме свободного выбега. Для расчета ускорения свободного выбега за этот относительно короткий промежуток времени с высокой точностью должна быть известна величина скорости подъемной машины и длина временного промежутка. Вычисления параметров свободного выбега «вручную» по тахограмме скорости, записанной с большой дискретностью, приведут к значительным погрешностям. Использование же регистратора параметров позволяет получить необходимые величины с достаточной точностью для применения формулы (5). Более того, при известных значениях статического усилия в любой точке необходимость проводить специальный эксперимент отпадает. Таким образом, регистратор параметров дополняется функцией автоматического вычисления приведенной массы подъемной установки.

Для моделирования процесса предохранительного торможения необходимо также знать величину модуля упругости и декремента колебаний канатов. Используя результаты измерений динамических характеристик движения подъемного сосуда в шахтном стволе [4], полученные при наложении предохранительного тормоза во время движения системы, определим период колебания T каждого из сосудов на канате и логарифмический декремент колебаний 3. Тогда, частота колебаний ™ = у-, (6)

а жесткость каната определяется как

ЕЕ

Су L + х

= w т„

(7)

где Е - модуль упругости каната; Е - суммарная площадь поперечного сечения проволок каната; Ьстр - длина стрункі каната от барабана до копрового шкива; х -положение подъемного сосуда в стволе.

Отсюда можем найти постоянное произведение ЕЕ и впоследствии использовать его для расчета коэффициента жесткости каната груженой ветви су в любой точке ствола. Аналогичные рассуждения справедливы для каната порожней ветви.

Коэффициент диссипации может быть вычислен по известному коэффициенту жесткости каната

_8^с

(8)

где 3 - логарифмический декремент колебаний.

По данным регистратора параметров работы шахтной подъемной установки получено статическое усилие на ободе барабана, приведенная масса подъемной машины и жесткости подъемных канатов. На протяжении всего цикла подъема груза вычисляются и динамические характеристики: момент, развиваемый двигателем, ускорение движения подъемной машины и тормозное усилие. Регистратор параметров может автоматически пересчитывать характеристики шахтной подъемной установки при замене элементов установки, а также при изменении режимов ее работы и выполнять непрерывный расчет напряжений, испытываемых элементами подъемной установки, по заданной математической модели. Это позволяет производить оценку остаточного ресурса шахтной подъемной установки на основе объективных данных.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных место-

рождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 03-553-03). М.: Федеральное государ-

ственное унитарное предприятие «Научнотехнический центр по безопасности в промышленности», 2005. 200 с.

2. Трифанов Г.Д Расшифровка и анализ записей регистраторов параметров шахтных подъёмных установок. Пермь, Издательство ПГТУ, 2009. 154 с.

3. Стрелков М.А., Кузнецов В.С. Применение регистраторов параметров для оценки остаточного ресурса шахтных подъемных устано-

вок. М.: Г орный информационно-ана-литический бюллетень (научно-технический журнал), отдельный выпуск 16 «Горная механика и транспорт». Изд-во: Горная книга, 2009. С. 332-339.

4. Ильин С.Р., Трифанов Г.Д. Динамическая диагностика систем «сосуд-армировка» вертикальных шахтных стволов. М.: Горное оборудование и электромеханика, 2009, №8. С. 29-34.

5. Степанов А.Г. Динамика машин. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. 392 с. III гл

— Коротко об авторе -------------------------------------------------------------

Стрелков Михаил Александрович - аспирант, Пермский государственный технический университет, e-mail: [email protected]

--------------------------------------------------------------- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Косьянов Вадим Александрович, Российский Государственный Геологоразведочный Университет имени Серго Орджоникидзе, кандидат технических наук, доцент, [email protected].

Стратегия и основные направления совершенствования энергетики геологоразведочных работ в современных условиях (822/04-11 от 27.01.11) 7 с.

Ведение геологоразведочных работ связано с большими финансовыми затратами, доля этих затрат, связанная с энергоснабжением производственных объектов достигает 50% от общих вложений в зависимости от района работ. Повышение эффективности энергообеспечения - это важнейшее направление повышения эффективности геологоразведочных работ.

Ключевые слова: геологоразведочные работы, повышение эффективности, экономия топливно-энергетических ресурсов, энергетические комплексы бурения, использование вторичных энергоресурсов

Kosynov V.A. STRATEGY AND BASIC DIRECTIONS OF POWER PERFECTION OF PROSPECTING WORKS IN MODERN CONDITIONS

Conducting prospecting works is connected with the big financial expenses, the share of these expenses connected with power supply of industrial objects reaches 50 % from the general investments depending on area of works. Efficiency increase ofpower supply is the major direction of increase of efficiency of prospecting works.

Key words: prospecting works, efficiency increase, economy of fuel and energy resources, power complexes of drilling, use of secondary power resources