CC BY
132
----------------------------------- © М.А. Стрелков, B.C. Кузнецов
2009
М.А. Стрелков, В.С. Кузнецов
ПРИМЕНЕНИЕ РЕГИСТРАТОРОВ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК
Предложен метод оценки остаточного ресурса шахтной подъемной установки, учитывающий фактическое техническое состояние элементов установки и режим работы. Информация, полученная регистратором параметров работы, используется для математического описания интенсивности нагружения элементов установки.
Ключевые слова:
'Жу настоящее время срок службы большинства шахтных подъёмных установок превышает 25 лет. Такие установки в соответствии с действующими положениями [1] должны периодически проходить экспертизу промышленной безопасности, которая включает и мероприятия по оценке остаточного ресурса. По результатам проведенной экспертизы принимается решение о возможности дальнейшей эксплуатации.
Достоверность оценки остаточного ресурса по усталостной кривой зависит от точности определения эквивалентных напряжений элементов подъемной установки. Эквивалентное напряжение можно рассчитать по максимальному напряжению за цикл нагружения, либо с учетом нерегулярности нагружения.
Для шахтной подъемной установки характерен нерегулярный процесс нагружения ее элементов. Основным технологическим процессом подъемной установки является подъем или спуск груза, который осуществляется с разной величиной скорости, ускорения при различной массе груза.
Единые правила безопасности [2] предписывают обязательное наличие систем регистрации основных параметров работы шахтной подъемной установки. Регистрируемую информацию можно использовать для описания нерегулярного характера нагружения. Исходными данными для расчета являются также и характеристики элементов подъемной машины. Эти сведения могут быть получены из эксплуатационной документации или расчетным путем.
Данные, получаемые регистратором параметров, позволяют рассчитать эквивалентные напряжения, соответствующие действительному циклу нагружения, и дать более точный прогноз остаточного ресурса.
Регистраторы параметров РПУ-03.х, установленные на многих шахтных подъемных установках горнодобывающих предприятий России, обеспечивают измерение и регистрацию в базе данных тока якоря и тока возбуждения двигателя постоянного тока, скорости и угла поворота барабана машины, деформацию тормозных тяг (рис. 1). Регистрация параметров производится с дискретностью 100 мс.
Информацию, получаемую с регистраторов параметров, используем для уточнения исходных данных расчета оценки остаточного ресурса. Так, например, можно получить ускорение движения подъемных сосудов в каждой точке пути, вычислить крутящий момент подъемного двигателя или найти массы некоторых элементов подъемной установки.
Остаточный ресурс подъемной машины определяется остаточным ресурсом коренного вала как наиболее важного нагруженного элемента, неподдающегося ремонту. Расчет оценки остаточного ресурса коренного вала выполним по наиболее нагруженному сечению. При определении эквивалентных напряжений учтем напряжения изгиба, возникающие от собственного веса конструкции и натяжений ветвей каната, и касательные напряжения, появляющиеся при передаче крутящего момента от подъемного двигателя.
При вычислении касательных напряжений, величина момента, прикладываемого к валу подъемной машины, в зависимости от положения сосуда в стволе определяется расчетным путем. В определении функции участвует несколько величин, точное значение которых бывает получить затруднительно. К таким величинам можно отнести маховые моменты коренной части подъемной машины и шкива, массы скипов или клетей, массы прицепных и подвесных устройств. Нередки случаи, когда паспортная документация на подъемную установку содержит неполные или устаревшие данные.
334
Рис. 1. Диаграммы, характеризующие процесс подъема груженого скипа
При определении напряжений изгиба необходимо знать разность статических натяжений канатов груженой и порожней ветви, которая зависит от масс подъемных сосудов, поднимаемых грузов и канатов. Достаточно точной остается величина массы одного метра каната р, которая определяет коэффициент пропорциональности линейной функции разности статических натяжений канатов груженой и порожней ветви:
Fж (х) = -2 др • х + В. (1)
Здесь свободный член В, зависящий от масс элементов подъемной установки, на практике определяется с некоторой неточностью.
По данным регистратора параметров рассчитаем реальные значения крутящего момента, прикладываемого к валу подъемной машины. Известно [3], что для привода постоянного тока усилие, развиваемое двигателем, может быть принято пропорциональным произведению току якоря двигателя постоянного тока 1я на ток возбуждения двигателя 1в,
Faa (X) = кI • 1у (X) • Iа (X), (2)
где ^ — коэффициент пропорциональности.
На участке равномерного движения подъемных сосудов, усилие Fдв(x) развиваемое двигателем совпадет со статической нагрузкой Fст(x). Таким образом, построив по данным регистратора параметров функцию 1^ (х) • 1й (х) и приняв ее линейной на этом участке, можно найти коэффициент пропорциональности:
К =-2рд, (3)
куа
где ^в — угол наклона прямой разности статических натяжений канатов груженой и порожней ветвей, полученной по данным регистратора параметров.
Для одной из скиповых подъёмных установок с приводом постоянного тока был посчитан момент М(х), развиваемый двигателем (рис. 2). Дискретные данные с регистратора параметров были пересчитаны на один оборот вала подъемной машины, принятый за период изменения напряжения. Затем была
Рис. 2. Графики моментов, прикладываемых к валу подъемной машины Mкв^(x) получен расчетным путем, M(x) — на основе реальных данных
выполнена линейная интерполяция функции I^ (х) • Iё (х) методом
наименьших квадратов. Свободный член проинтерполированной функции представляет собой слагаемое В в формуле (1), которое более точно определяет величину разности статических усилий.
Расчет оценки остаточного ресурса выполняется по величине максимальных за цикл эквивалентных напряжений. При использовании данных регистратора параметров, становится возможным учет изменения напряжений в течение всего цикла подъема. Предлагается считать амплитуды суммарных напряжений а:, приходящиеся на каждый оборот вала. Нерегулярный характер нагружения учитывается по корректированной линейной гипотезе суммирования усталостных напряжений [4]. Условие прочности, в соответствии с принятой гипотезой, имеет вид
У П = ар, (4)
^ N. р’
где п — число циклов повторения амплитуды а:, соответствующее
ресурсу элемента подъемной машины; N — число циклов по кривой усталости, при регулярном нагружении, соответствующее амплитуде а:; ар — корректированное значение суммы относительных долговечностей, соответствующее предельному состоянию.
Связь между числом циклов и амплитудой напряжения устанавливается уравнением кривой усталости.
С учетом приведенных выражений, формулу для ресурса элемента подъемной установки, выраженного количеством циклов подъема X до перехода в предельное состояние, представим выражением
ар ат1 лN 0
х=" 1 т , (5)
У
а>,
где а_1 А — предел выносливости детали; а{ — амплитуда регулярных напряжений; N — базовое число циклов; т — показатель угла наклона верхней и нижней частей кривой усталости; V, — число циклов в блоке нагружения. При равномерном разбиении процесса подъема груженого сосуда на один оборот вала V, = 1.
В приведенном выражении суммирование ведется по всем амплитудам а I, так как все амплитуды напряжений принимаются повреждающими.
В качестве примера была взята одна из подъемных установок, для которой выполнен расчет остаточного ресурса. Ресурс подъемной установки оценен в 4,8 млн подъемов груженого скипа. Для этой же подъемной машины проведен расчет оценки остаточного ресурса с учетом нерегулярного характера нагружения вала в течение цикла подъема. Полученный ресурс составил 7,4 млн циклов, что оказалось больше прежней оценки на 50 %.
Остаточный ресурс шахтной подъемной установки зависит от режима работы и периода эксплуатации. С течением времени, условия эксплуатации и режимы работы подъемной установки могут меняться. Постоянный мониторинг параметров подъемной установки позволяет отслеживать изменения интенсивности ее работы и корректировать величину оценки остаточного ресурса. Предлагается производить непрерывное вычисление эквивалентных напряжений и выполнять пересчет остаточного ресурса подъемной машины. Формулу (5) можно обобщить для учета каждого совершенного цикла подъема груза. В этом случае нужно суммировать напряжения на оборот вала за все совершенные циклы подъема груза и помножить дробь на количество циклов. Данный расчет может выполняться автоматически и являться одной из функций регистратора параметров РПУ-03.х.
338
Рис. 3. Процесс срабатывания предохранительного тормоза, зарегистрированный комплексом РПУ-03.х
Практика эксплуатации подъемных установок и теоретические исследования показывают, что наибольшие динамические нагрузки возникают при наложении предохранительного тормоза при скорости сосудов более 1 м/с [5]. Величина этих нагрузок зависит от выполняемой установкой операции (спуск или подъем груза), положения сосуда в стволе и других факторов. Параметры работы тормозной системы (рис. 3), регистрируемые РПУ-03.х (деформации тормозных тяг, момент срабатывания предохранительного тормоза) позволяют уточнять величины эквивалентных напряжений при расчете остаточного ресурса. Регистрация фактов срабатывания предохранительного тормоза может быть использована для корректировки интенсивности нагружения элементов подъемной установки.
Увеличение объема информации о параметрах работы подъемной установки при непрерывном мониторинге позволяет объективно корректировать величину остаточного ресурса. Эта информация необходима как для планирования ремонтных работ на предприятии, так и при проведении экспертизы промышленной безопасности.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методические указания по проведению экспертных обследований шахтных подъемных установок (РД 03-422-01). М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технических центр по безопасности в промышленности Г осгор-технадзора России», 2001, 172 с.
2. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом (ПБ 03-553-03). М.: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности», 2005, 200 с.
3. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. Изд. второе, пере-раб. М. — л. Госэнергоиздат, 1963, 772 с.
4. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени. М.: Машиностроение, 1977, 232 с.
5. Степанов А.Г. Динамика машин. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. 392 с.
Strelkov M.A., Kuznetsov V.S.
APPLICATION OF REGISTER OF PARAMETERS FOR ESTIMATION OF RESIDUAL RESOURCE OF MINE HOISTING PLANTS The mine winder remaining life estimation method that considers operation mode and actual technical condition of the winder plant elements is offered. The operation parameters recorder data is used for mathematical description of the mine winder elements intensity mechanical loading.
Key words: Mine hoisting plant, register of parameters, residual resource, skip hoisting plant, dynamic loadings.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------
Стрелков М.А. — аспирант (Пермский государственный технический университет).
Кузнецов В.С. — младший научный сотрудник (Пермский государственный технический университет). е-mail: kanat@pstu.ru
