CC BY
251
УДК 622.625.282-843.6.545:622.678.525
В.М. Тарасов (генеральный директор ООО «РивальСИТ»)
Технология работы дизель-гидравлических локомотивов и навесного оборудования в горных выработках
Рассматривается новый способ строповки и перемещения груза в стесненных условиях горной выработки, который повышает эффективность операций по перемещению грузов за счет использования ветвевого способа строповки, увеличивает количество перемещаемого груза, снижает износ оборудования, повышает эффективность и безопасность труда горняков.
Ключевые слова: ГОРНАЯ ВЫРАБОТКА, ИННОВАЦИОННЫЙ СПОСОБ СТРОПОВКИ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГРУЗА, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ
Уголь приобретает все большее значение в системе энергетической безопасности России, а возникший мировой кризис, начавшийся как финансовый, все более перерастает в экономический и усложняет и без того напряженную ситуацию, складывающуюся в основных отраслях промышленности.
Так как уголь — главный ресурс Кузбасса, то перед горняками встает масштабная задача по наращиванию объемов его добычи. Решение этого вопроса в значительной мере зависит от уровня механизации производственных процессов, качества горных машин и механизмов, комплексов и технико-экономических показателей их работы.
В течение многих лет в шахтах при погрузочно-разгрузочных работах применяют дизель-гидравлические локомотивы и навесное оборудование для перевозки груза по горным выработкам.
Отечественная и зарубежная практика показывает целесообразность использования монорельсовых дорог с канатной и локомотивной тягой. Предпочтение, как правило, отдается второй, поскольку она обеспечивает более высокую безопасность эксплуатации, возможность работы на разветвленных линиях, бесперегрузочное и бесперецепочное транспортирование и имеет ряд других преимуществ. Дизелевозы, предназначенные для транспортирования людей и грузов по протяженным подземным выработкам по монорельсовым дорогам, разрабатываются с учетом различных факторов: взрывоопасности производственной среды, стесненности выработанного пространства и значительных уклонов путей перемещения. Применение их в таких условиях облегчает труд горняков и повышает его безопасность.
В свете новых задач, стоящих перед угольными предприятиями, возникает необходимость постоянного совершенствования технологических процессов, в том числе работы дизель-гидравлических локомотивов и навесного оборудования.
Эффективность функционирования транспортного средства в большой степени обусловлена конструкцией и параметрами системы подвешивания ходовой части. Эксплуатационные ха-
рактеристики (сила тяги и торможения, динамическая нагрузка на элементы механической системы, устойчивость и безопасность движения) в значительной мере зависят от системы подвешивания, являющейся наименее долговечным узлом конструкции шахтного локомотива и гидроподъемников, что приводит к существенным затратам на ремонт.
Чтобы понять преимущество предлагаемого способа перемещения груза по горной выработке, обратимся к известным понятиям о трении [1]. Итак, трение внешнее (или кинематическое)
— это когда взаимодействие между телами возникает при их соприкосновении, препятствуя относительному перемещению. В зависимости от характера относительного движения тел различают трение скольжения и трение качения, в чистом виде оно встречается только в случае, когда линия или точка соприкосновения трущихся тел совпадает с мгновенной осью вращения катящегося тела [1].
Внешнее трение между движущимися телами называется кинематическим, а между взаимно неподвижными телами — трением покоя и проявляется в том, что для возникновения относительного перемещения двух соприкасающихся тел к одному из них нужно приложить внешнюю силу Г > Го, где Го — так называемая предельная сила трения покоя. Отсутствие взаимного перемещения тел при Г < Г0 называется явлением застоя. Оно широко используется в технике для передачи усилий от одних деталей машин к другим (ременные передачи, фрикционные муфты и т.д.) [1].
Сила трения скольжения при сухом трении вызывается в основном механическим зацеплением между неровностями поверхностей тел, сцеплением между молекулами обоих тел в местах непосредственного соприкосновения. По закону Амонтона приближенно можно считать, что сила трения скольжения Гт.с прямо пропорциональна силе нормального давления N между поверхностями трущихся тел:
Гт.с = fr.cN, (1)
где /т.с - коэффициент трения скольжения (зависит от свойств материала тел, качества обработки поверхностей трущихся тел, наличия на них загрязнений, скорости скольжения и т.д.). Поэтому /т.с определяют на основе экспериментальных данных, полученных для случаев, сходных с рассматриваемой задачей.
Коэффициент^, соответствующий предельной силе трения покоя, обычно больше коэффициента кинематического трения. Часто вместо/т.с используют угол трения ф, связанный с соотношением tgф = /т.с. Угол фо = аг^ ^ равен такому же наименьшему углу наклона плоскости к горизонту, при котором лежащее на ней тело начинает скользить вниз под действием силы тяжести [1].
Более точным является двучленный закон трения, установленный на основе учета влияния сил притяжения между молекулами трущихся тел:
Г = + Зро), (2)
где ц — истинный коэффициент трения; £ — общая площадь всех областей непосредственного контакта между телами; р0 — добавочное давление, вызванное силами молекулярного притяжения.
При качении по плоской поверхности тел, имеющих форму круглых цилиндров или шаров, помимо упругих, возникают и пластические деформации [1]. Поэтому линия действия силы реакции Я плоскости не совпадает с линией действия силы нормального давления N. Нормальная к плоскости составляющая Яп силы реакции Я численно равна N, а горизонтальная составляющая Г представляет собой силу трения качения Гтк. В первом приближении можно считать (закон Кулона), что
Гт.к = кШг, (3)
где к — коэффициент трения качения (зависит от материала тел, состояния их поверхностей и других факторов); г — радиус катящегося тела.
Схема качения тел по плоской поверхности показана на рисунке 1. Силы Яп и N, приложенные к катящемуся телу, создают вращающий момент М, который можно определить по сле-
дующей формуле:
М = Гткг = kN. (4)
Профиль монорельсовой балки
Рисунок 1 - Схема качения тел по плоской поверхности
В действующей схеме строповки груза на гидроподъемниках движение трения качения происходит между нижней полкой монорельсовой балки и роликоопорами подвесных кареток гидроподъемника и только в горизонтальной плоскости. Дизель-гидравлический локомотив с навесным оборудованием и сила тяги Гтяг, приложенная к гидроподъемникам, стремятся занять прямолинейное положение в пространстве с массой подвешенного груза на гидроподъемниках, не говоря уже о том, что при подъеме груза в наклонной выработке вверх возникает отрицательная сила реакции Я плоскости, в результате чего рабочие колеса гидроприводов и роликоопор кареток проскальзывают. Сила тяги, приложенная к гидроподъемникам, раскладывается на три составляющие: пробуксовка (40 %); преодоление силы реакции Я (40 %); качение (20 %). Действующая схема строповки и перемещения груза в горной выработке показана на рисунке 2.
Рисунок 2 - Действующая схема строповки и перемещения груза
Предлагаемая схема строповки груза способствует динамическому поступательному движению и осуществляется при одновременном действии трения скольжения и трения качения [2, 3, 4]. Основной элемент движения — трение скольжения, а трение качения используется между нижней частью балки и роликоопорами кареток гидроподъемника. При такой строповке груза в горной выработке взаимодействие всех подвижных тел подвижной системы можно сравнить условно с планетарным механизмом. Приложенная к гидроподъемнику сила тяги выводит систему из устойчивого положения равновесия, а груз, подвешенный на уравнительных блочках и зафиксированный в пространстве, будет занимать устойчивое положение относительно смещенного центра сходящих сил. Гидроподъемник в этом случае будет служить водилом, уравнительные блочки — сателлитами, а центр сходящихся сил — солнцем; окружности, образующиеся относительно центра сходящихся сил — солнцем и сателлитами (венцами). Груз, закрепленный на сателлитах, будет стремиться занять устойчивое положение равновесия — состояние покоя. Таким образом, сила Гтс прямо пропорциональна силе нормального давления N между поверхностями трущихся тел. Новая схема строповки и перемещения груза в горной выработке приведена на рисунке 3.
В этой схеме соблюдается основное правило строповки: место застроповки стропов располагается относительно центра тяжести и грузоподъемной силы, которая находится над центром тяжести груза [2]. Согласно теоретической механике, груз считается поднятым и зафиксированным в пространстве в том случае, когда пары сил, произвольно расположенные в пространстве, взаимно уравновешиваются (геометрическая сумма их моментов равна нулю), т.е. многоугольник, построенный на моментах данных пар сил, замкнут с вершиной в точке пересечения результирующих сил [3].
1 - водило; 2 - венцы; 3 - солнце; 4 - линия солнца, образуемая смещенным центром сходящихся сил при воздействии на него тяговой силы дизелевоза; 5 - выработка; 6 - сателлиты
Рисунок 3 - Инновационная схема строповки и перемещения груза
Предлагаемая схема опробована в условиях эксплуатации. При проведении технической экспертизы установлено, что усовершенствованный способ строповки и перемещения груза в горной выработке кардинально отличается от применяемого схемой размещения подвесных цепей или стальных канатов (стропов) и тем, что в работу включены уравнительные блочки и вспомогательные траверсы.
В настоящее время применяется способ подвески, при котором груз, цепи и гидроподъемники с каретками, образуя параллелограмм, создают неустойчивую систему, которую можно считать находящейся в безразличном состоянии устойчивого равновесия, т.е. при выводе этой системы из состояния равновесия она стремится вернуться к этому состоянию вновь условно, так как даже равномерное движение гидроподъемника с каретками вызывает вынужденное колебание груза [2, 3]. При этом амплитуда колебания может быть достаточно большой, что приводит к возникновению динамических нагрузок, которые в несколько раз превосходят статические нагрузки, что, в свою очередь, обусловливает износ и поломку звеньев системы:
дизельного двигателя, гидравлических приводов, поршневой группы, вулколана (рабочие приводные колеса) в подвесном локомотиве;
стрелочных переводов, гидроподъемников, монорельсовых балок, роликоопор на самом локомотиве и на каретках гидроподъемников.
Кинематическая схема тягового устройства после трехмесячной эксплуатации с применением одноветвевой схемы строповки груза без учета центра тяжести груза вышла из строя. Эта схема действует и по настоящее время. Их дальнейшая эксплуатация была невозможна, так как рама крепления гидромотора деформировалась, стала выпуклой, а края по периметру выгнулись
вниз. Рама приобрела линзообразную форму, соответственно тяговые колеса не стали иметь контакта с монорельсовой балкой. Для устранения данной проблемы было принято решение: деформированные рамы выпрямить и приварить ребро жесткости по периметру. Эта проблема была решена в условиях мехцеха шахты, а завод-изготовитель стал изготавливать рамы усиленные, с двумя ребрами жесткости. Но истинной причины установлено не было.
Причина деформирования рамы заключается в следующем: груз, подвешенный на два гидроподъемника, не учитывает центр тяжести и расположение грузоподъемной силы грузоподъемника. Центр тяжести располагается между двумя гидроподъемниками, а массу груза распределяют равномерно на четыре, а иногда и на восемь монорельсовых кареток гидроподъемников. Угол между тяговыми цепями гидроподъемника и траверсами составляет 180 град - развернутый угол. Известно, что оптимально допустимый угол между стропами от 60 до 90 град, а угол от вертикально проведенной линии через место застроповки до стропа не должен превышать 45 град. Угол между стропами 120 град считается критическим и недопустимым [2, 4]. Следовательно, груз подвешен, а не поднят, так как поднимают сначала одну сторону одноветвевым стропом, а затем другую. Груз, подвешенный по такой схеме, является якорем, он висит ниже монорельсовой балки. При этом дизель стремится всеми тяговыми колесами приводных механизмов попасть на одну прямолинейную линию с грузом, тем самым деформирует монорельсовую балку, раму крепления гидромотора, вырывает анкера.
На рисунке 4 изображены три вида кинематической схемы с разными рамами крепления гидромотора.
а - деформация рамы после трехмесячной эксплуатации; б - усиленная ребром жесткости рама в условиях мехцеха; в - выпущенная заводом-изготовителем с двумя ребрами жесткости 1 - гидромотор; 2 - тяговое колесо; 3 - монорельс; 4 - рама крепления гидромотора;
5 - ребро жесткости
Обозначим нагрузку (массу поднимаемого груза), приходящуюся на одну ветвь, буквой £.
Выбор стропов начинают с определения массы груза и расположения его центра тяжести. Если на грузе таких обозначений нет, то необходимо уточнить эти параметры у мастера, бригадира или лица, ответственного за производство грузоподъемных работ. Во всех случаях стропальщик должен сам убедиться в том, что груз, подлежащий перемещению, может быть поднят имеющимися в его распоряжении грузоподъемными средствами. Определив массу поднимаемого груза и расположение центра тяжести, стропальщик определяет число мест застроповки и их располо-
а
б
в
Рисунок 4 - Кинематическая схема тягового устройства
жение с таким расчетом, чтобы груз не мог опрокинуться или самостоятельно развернуться. Из этого расчета выбирают строп или подходящее грузозахватное приспособление, закрепленные за стропальщиком. Одновременно следует учитывать длину выбираемого многоветвевого стропового грузозахватного приспособления [2,4,5].
При выборе длины стропа следует исходить из того, что при малой длине угол между ветвями стропов будет больше 90°, а при большой длине — теряется высота подъема груза и возникает возможность его кручения. Оптимальные углы между ветвями стропов находятся в пределах 60—90°, что показано на рисунке 5. При выборе стропов следует также определить, из каких элементов должна состоять гибкая часть стропа (стальной канат или цепь, траверса или другой вид жестких стропов и т. п.) и какие концевые и захватные элементы целесообразнее использовать для подъема конкретного груза [6].
Р .
N*$50 Ъ-РЯ
Л' -РЛ7 Л', - Р
I — рекомендуемая зона захвата груза; II — не рекомендуемая зона захвата груза Рисунок 5 - Схема распределения нагрузок на ветви стропа
Определив массу поднимаемого груза, стропальщик должен правильно выбрать строп с учетом нагрузки, которая возникает в каждой его ветви. Нагрузка, приходящаяся на каждую ветвь стропа, меняется в зависимости от количества мест застроповки груза, его размера, угла между ветвями стропа, длины его ветвей.
Усилия, возникающие в ветвях стропа при подъеме груза, можно определять двумя способами, учитывая или угол между ветвями стропа, или длину его ветвей. В подземных условиях в инновационной схеме строповки груза используется первый способ, учитывающий угол между ветвями стропов, а второй способ, учитывающий длину его ветвей, не приемлем из-за ограниченного пространства горной выработки.
Определив массу поднимаемого груза, стропальщик должен правильно выбрать строп с учетом нагрузки, которая возникает в каждой его ветви. Нагрузка, приходящаяся на каждую ветвь, меняется в зависимости от числа мест застроповки груза, от его размеров, от угла между ветвями
стропа, от длины его ветвей. Усилия, возникающие в ветвях стропа при подъеме груза, можно определить числом или длиной ветвей (рисунок 6).
Рисунок 6 - Схема строповки грузов четырехветвевым стропом
Нагрузку, приходящуюся на каждую ветвь стропа, можно определить по формуле:
S= Qg /nR cos a, (5)
где Q — масса груза; п — число ветвей стропа; а - угол между вертикально опущенной осью и ветвью стропа; R' — коэффициент неравномерности нагрузки стропа на каждую ветвь, зависящую от п; g — ускорение свободного падения (g ~ 9,8 м/с2). Заменив для простоты расчета ~ 1/ cos a коэффициентом т, получим:
S=mQg/п R'. (6)
Значения величин, применяемых в формулах (5) и (6), приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Значения величин в формулах
Показатель Стропы
Число ветвей в стропе п 1 2 4 8 - - -
R' 1 1 Q,75 Q,75 - - -
а, град Q 15 2Q 3Q 4Q 45 6Q
т 1 1 ,Q4 1 1,1б 1,31 1,42 2
При подъеме груза массой 10000 кг числом ветвей стропа п = 4 и а= 45°
5 = 1,42x10 000 х 9,8/4 х 0,75 = 46390 Н. Грузоподъемная сила, приходящаяся на одну ветвь стропа, равна ~ 50 кН. При подъеме груза массой 10000 кг числом ветвей стропа п = 8 и а = 45°
5 = 1,42x10 000 х 9,8/8 х 0,75 = 23193 Н.
Грузоподъемная сила, приходящаяся на одну ветвь стропа, равна ~ 25 кН.
Таким образом, нагрузка на один строп уменьшается в два раза.
При подъеме груза массой 10000 кг числом ветвей стропа п = 1 и а = 0°
5 = 1x10 000 х 9,8/1 х 1 = 98000 Н.
Грузоподъемная сила, приходящаяся на одну ветвь стропа, равна ~ 100 кН.
Груз поднимают без учета центра тяжести.
При подъеме груза массой 10000 кг числом ветвей стропа п = 2 и а = 0°
5 = 6x10 000 х 9,8/2 х1 = 294000 Н.
Грузоподъемная сила, приходящаяся на одну ветвь стропа, равна ~ 300 кН.
Угол между двух стропов развернутый - 180 град.
Таким образом, предлагаемая схема строповки в 12 раз уменьшает нагрузку на стропы, а соответственно и на все механизмы гидроподъемника.
Нагрузка, приходящаяся на одну ветвь стропа, прямо пропорциональна углу между ветвями стропа и обратно пропорциональна числу ветвей. Таким образом, для подъема того или иного груза имеющимся стропом стропальщик должен проверить, чтобы нагрузка на каждую ветвь стропа не превышала допустимой, указанной на бирке, клейме или надписи. В соответствии с действующими правилами Ростехнадзора грузоподъемность стропов, имеющих несколько ветвей, рассчитывают с учетом угла между ветвями 90°. Поэтому, работая групповыми стропами, нужно лишь следить, чтобы угол а не превышал 45°. Если груз обвязывается одноветвевыми стропами, например облегченными, рассчитанными на вертикальное положение (а = 0°), то возникает необходимость учитывать изменения угла и, следовательно, нагрузки на ветви стропа.
При строповке груза групповым стропом нагрузка на его ветви, если их более трех, в большинстве случаев распределяется неравномерно, поэтому стропальщик должен стремиться зацепить груз так, чтобы все ветви стропа после застроповки и натяжения имели по возможности одинаковую длину, симметричность расположения и одинаковое натяжение.
В среднем в шахтах эксплуатируется от 5 до 15 дизель-гидравлических локомотивов и столько же единиц навесного оборудования с гидроподъемниками, при этом число поломок значительное (таблица 2).
Таблица 2 - Число поломок, приходящееся на звенья системы
Звенья системы Число поломок
на семь единиц на одну единицу
Вулколан (рабочие приводные колеса при монтаже/демонтаже) 30-50 4-7
Рабочие приводные колеса в обычный месяц, не связанный с монтажом/демонтажом 15 2
Роликоопоры на каретке гидроподъемника и на самом локомотиве (дизеле) 50 7
Гидроприводы 4 0,6-1,0
Гидронасосы 5 0,7-1,0
Поршневая группа 5 0,7-1,0
Стрелочные переводы 10 1,0-1,4
Предлагаемый способ строповки и перемещения груза отличается тем, что стальной канат или цепи, перекинутые через шесть уравнительных блочков, образуют с гидроподъемником, двумя вспомогательными и рабочей траверсами три треугольника с одной стороны и три с другой, а треугольник — фигура жесткая, т.е. подвесная система образует спаренный тройной полиспаст. Хотя стальные канаты или цепь проскальзывают в уравнительных блочках, работают закон Амонтона и явление застоя, поэтому колебания системы будут незначительными [1, 2]. А система сил, образованная силами натяжения четырех стальных канатов или цепей с одной стороны и четырех с другой, имеет результирующую силу, расположенную таким образом, что вместе с силой тяжести груза она образует пару сил с вращающим моментом М (рисунок 3), что позволяет системе занимать положение равновесия (даже при «задирании» груза). Как показывают расчеты, даже для простейших случаев, когда не учитываются динамические нагрузки, усилия натяжения стального каната или цепи в 1,5 раза меньше, а значит, и нагрузки на другие звенья системы уменьшаются, что позволяет перемещать более тяжелые грузы и увеличивать число перевозимых единиц груза одним локомотивом. При этом увеличивать мощность самого локомотива нет необходимости [4].
Эксплуатация дизелевозов с гидроподъемниками с использованием предлагаемого способа строповки и перемещения груза в горных выработках позволит снизить показатели, приведенные в таблице 2, как минимум вдвое.
Для промышленных предприятий, особенно в условиях кризиса, важны проекты, которые дадут возможность экономно расходовать средства на их реализацию. Такому требованию в полной мере отвечает предлагаемый способ, так как дополнительные затраты, связанные с качественным улучшением работы стропов, траверс, шкивов, цепей, — минимальны; экономится расход горюче-смазочных материалов за счет уменьшения количества ходок и увеличения производительности труда, а также продолжительности срока службы и эксплуатации оборудования. Уменьшаются и затраты на привлечение сторонних организаций и компаний по его обслуживанию и ремонту; объем запасных частей снижается до минимума. Помимо этого сокращается штат стропальщиков и электрослесарей и экономится фонд оплаты труда.
Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемой технологической схемы только по эксплуатационным затратам составит миллионы рублей на один дизель-гидравлический локомотив с навесным оборудованием с двумя гидроподъемниками.
Инновационная схема строповки груза и перемещения его в горных выработках, предложенная автором статьи, по заключению Роспатента отличается новизной в решении вопросов механизации погрузочно-разгрузочных и транспортных работ в подземных условиях шахт, высоким изобретательским уровнем; внесена в государственный реестр изобретений Российской Федерации 2008 г.
Техническая новизна изобретения положительно оценена кафедрами КузГТУ (теоретической и геотехнической механики, экономики и организации угольной промышленности).
В целом внедрение нового способа строповки и перемещения груза в стесненных условиях горных выработок позволит:
- увеличить в 2 раза как количество перевозимого груза, так и производительность труда при его доставке;
- повысить износостойкость дорогостоящего локомотива и гидроподъемников в несколько раз, а также надежность работы эксплуатируемой техники;
- расширить зону обслуживания, что увеличит не только объемы грузопотоков, но и скорость перевозимого груза;
- обеспечить минимальную аварийность и высокую промышленную безопасность;
- снизить себестоимость 1 т угля.
В настоящее время на угледобывающих предприятиях проводится работа по внедрению данного способа строповки и перемещения груза в горных выработках.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Яворский, Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. — М.: Наука, 1974.
- 942 с.
2 Оберман, Я.И. Стропальное дело / Я.И. Оберман. — М.: Металлургия, 1985. - 208 с.
3 Хямяляйнен, В.А. Теоретическая механика: учеб. пособие для вузов/ В.А. Хямяляйнен, Р.Ф. Гордиенко, Н.А. Ведяшкина. - Кемерово: КузГТУ, 2001. - 207 с.
4 Заднипренко, Н.М. Погрузочно-разгрузочные работы: Практическое пособие для стро-пальщика-такелажника / Н.М. Заднипренко, Е.М. Костенко, Л.И. Кулиева. - М.: ЭНАС, 2008. - 202 с.
5 Котельников, В.С. Рекомендации по промышленной безопасности для специалистов (лиц), ответственных за безопасное производство работ мостовыми, козловыми и железнодорожными кранами: сб. документов / В.С. Котельников, Н.А. Шишков. - Сер. 10. - Вып. 67. -М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2006. - 140 с.
6 Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов (ПБ 10-382-00).
- Сер. 10. - Вып. 65. -М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2006. - 140 с.
DIESEL-HYDRAULIC LOCOMOTIVES AND ATTACHED EQUIPMENT WORK PRACTICES IN MINE OPENINGS
V.M. Tarasov
New mode of strapping and load transportation in mine opening straitened surrounding is reviewed. Using new branch method of strapping it allows to increase the transported load amount, decreases equipment wear, increases efficiency and safety of miners’ work.
Key words: MINE OPENING, INNOVATION METHOD OF STRAPPING AND LOAD TRANSPORTATION, EFFICIENCY, SAFETY
Тарасов Владимир Михайлович e-mail:indsafety@yandex.ru
