CC BY
47
УДК 622-1/-9
ВОПРОСЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК ОТ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ
© Н.К. Кузнецов1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены результаты анализа работы известных устройств защиты шахтных подъемных установок, исследований закономерностей изменения статических и динамических нагрузок, возникающих при аварийных ситуациях, новых способов и устройств защиты. Представлено устройство, разработанное сотрудниками ИРНИТУ, предназначенное для защиты от напуска каната, основанное на использование такого информативного параметра электромагнитных систем, как доплеровский сдвиг частоты отраженной, или прошедшей волны по отношению к падающей.
Ключевые слова: шахтная подъемная установка; сдвиг частоты напряжений; режимы торможения; предохранительное торможение.
ISSUES OF IMPROVING HOIST PROTECTION DEVICES AGAINST EMERGENCIES N.K. Kuznetsov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper reports on the analysis results of known hoist protection devices operation; researches the regularities of changes in static and dynamic loads that occur in emergency situations; describes new protection methods and devices. It presents a developed in INRTU device designed to protect the rope slack. The device is based on the use of such i n-formative parameter of electromagnetic systems as a Doppler shift of frequency of a reflected or transmitted wave relative to the incident one.
Keywords: (mine) hoist; frequency shift; braking modes; safety braking.
Одной из основных проблем, возникающих при эксплуатации шахтных подъемных установок (ШПУ), является значительное количество аварийных ситуаций. При этом около 50% аварий связано с нарушением режима движения подъемного сосуда (скипа) в шахтном стволе. Так, например, сдвижение проходного сечения ствола - при разрушении крепи, обмерзании стенок и разгрузочных кривых, а также при неравномерном износе направляющих устройств - создает опасность заклинивания в нем опускающегося сосуда. Отсутствие контроля за действительным положением сосуда в стволе может привести к тому, что сматывающаяся на него ветвь каната (напуск каната), добавляя общий вес, в конечном счете протолкнет сосуд, который начнет падать, как свободное тело, создавая аварийную ситуацию. Как показали проведенные исследования, многие технические решения устройств защиты от «напуска каната» выбираются без необходимого обоснования, а некоторые из них оказываются недостаточно эффективными для обеспечения надежной работы подъемных установок [1]. В настоящей статье на основе анализа работы известных устройств защиты шахтных подъемных установок формируются требования к этим устройствам, определяются статические и динамические нагрузки, возникающих при аварийных ситуациях при использовании последних в качестве исходных расчетных данных.
Анализ известных технических решений устройств защиты от напуска каната ШПУ позволяет сделать следующие выводы.
1. Устройства с контролем прогиба струны каната имеют ограничения по глубине ствола и невосокое быстродействие.
2. Установка магнитоупругих и тензометрических датчиков под подшипником копрового шкива не обеспечивает достаточную точность измерений.
В процессе работы датчиков изменяются их электрические параметры, что требует периодической перенастройки защиты в целом.
3. Также не являются надежными устройства, в которых по тяговому канату передаются акустические или электромагнитные колебания.
С одной стороны, это связано с тем, что волны, передаваемые по тяговым канатам, склонны к искажениям под действием разных концевых нагрузок (изменяют свою скорость в зависимости от плотности материала каната), вследствие чего вносится ошибка в принимаемую частоту. С другой стороны, эксплуатационную сложность представляет прием самих колебаний. При движении тяговый канат истирает скользящие контакты приемников,
1 Кузнецов Николай Константинович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: 89025613072, e-mail: [email protected]
Kuznetsov Nikolai, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, tel.: 89025613072, e-mail: [email protected]
нарушая силу их прижатия. Это приводит к изменению амплитуды волны, создавая «дрейф» нуля и потерю чувствительности.
4. Не оправдали себя и устройства защиты с нанесением на тяговый канат магнитных меток, так как с течением времени они теряют свою магнитную индукцию вследствие рассеивания остаточного магнитного потока в тяговом канате, что снижает надежность устройства и требует повторного, очень точного нанесения на канат новых магнитных меток.
5. Недостатком устройств с дистанционной передачей сигнала при зависании сосуда является то, что источник питания передатчика, располагаемый на сосуде, требует периодического контроля его работоспособности.
На основе изложенного могут быть сформулированы следующие основные требования к конструированию устройств защиты от напуска каната в ШПУ:
1. Высокая надежность отдельных элементов и аппаратов защиты в целом.
2. Целесообразность использования систем, работающих без непосредственного контакта с подвижными элементами установки(такие датчики обладают существенно большей надежностью и безотказностью в работе и позволяют создавать аппаратуру с искробезопасными параметрами, что очень важно для шахт, опасных по газу и пыли.
3. Необходимость контроля зависания сосуда как в разгрузочных кривых, так и по глубине ствола.
4. Возможность непрерывного контроля параметров движения подъемного сосуда.
5. Обеспечение контроля максимального числа защищаемых параметров.
6. Обеспечение самоконтроля работоспособности устройств защиты от напуска каната.
Эффективное применение автоматизированных систем управления подъемными установками во многих случаях сдерживается из-за отсутствия надлежащих средств получения текущей информации о движении подъемных сосудов в стволе. Так, до сих пор скорость и положение подъемного сосуда контролируются устройствами, связанными с вращением канатного барабана подъемной машины, что не всегда отражает действительную ситуацию в стволе в целом. В то же время технические возможности радиоэлектроники последних лет, появление технологий формирования интегральных микросхем и полупроводниковых высокочастотных элементов и радиоволновых методов и средств измерения физических величин используются в недостаточной степени [2]. Например, в настоящее время на основе применения радиоволновых методов решена проблема бесконтактного измерения (без непосредственного соприкосновения с объектом) таких параметров объекта управления, как скорости и ускорения. Указанные обстоятельства вызывают необходимость совершенствования известных способов измерения параметров работы ШПУ и поиска новых технических решений.
На кафедре горных машин и электромеханических систем университета разработано устройство защиты от напуска каната, основанное на использование такого информативного параметра электромагнитных систем, как доплеровский сдвиг частоты отраженной, или прошедшей волны по отношению к падающей, и был получен патент на изобретение [3]. Данное устройство позволяет простым и надежным бесконтактным способом контролировать момент зависания подъемного сосуда, что повышает надежность зашиты и позволяет применять ее в шахтах, опасных по газу и пыли. Кроме того, при соответствующих дополнениях это устройство позволяет измерять скорость, ускорение и путь, пройденный подъемным сосудом.
Поскольку аварийные ситуации имеют различную природу, то при конструировании устройств защиты они обычно не используются в качестве исходных расчетных данных. Ниже предлагается один из способов перевода этих ситуаций в разряд расчетных случаев при определении статических и динамических нагрузок в устройствах защиты.
Как известно, статические усилия при зависании подъемного сосуда для неуравновешенной системы подъема определяются разностью натяжений канатов грузовой и подъемной ветвей.
В нормальном режиме работы установки статическое сопротивление подъему равно
fc = Frp - Fnop = Qip + Qc + Рк •(-Н - х) + fbp - qc - Рк •х + fbp = Qrp + Рк •(-Н - 2 • х) + Fi
вр ,
где ЕГР - сопротивление подъему груженого скипа; РПОР - сопротивление подъему порожнего скипа; Qгp - масса груза в скипе; Qc - масса скипа; Н - высота подъема; х - перемещение сосуда; Рк - масса метра каната; ЕВр - вредные сопротивления, Н.
При зависании опускающегося порожнего сосуда QC(0ОР)= 0, а сопротивление на окружности барабана
{^с | определяется выражением
ЪС = рГР - РПОР = ^ + ^ + Рк \Н - х) + ^Р - 0 - Рк ■х + ^Р = ^ + ^ + Рк '{Н - х). Разность Д^С при зависании и при нормальном движении будет равна
AFc = Fc - Fc = QIP + Qc + PK-(Н - х) + FBP - Qrp - PK-(Н - х)-FBP = QC ■
Таким образом, при зависании опускающегося порожнего сосуда будет иметь место скачок статического усилия на величину Qc. При этом происходит снижение скорости вращения барабана, вызванное скачкообразным увеличением нагрузки, что, в свою очередь, вызовет рост тока якоря и крутящего момента двигателя. Полученный эффект может быть использован для построения защиты ШПУ от напуска каната.
Для его реализации был разработан алгоритм использования тока якоря приводного двигателя ШПУ для контроля напуска каната, блок-схема которого показана на рис. 1. На этом рисунке приняты следующие обозначения: ис - напряжение сети; иу - напряжение управления; ТП - тиристорный преобразователь; 1я - ток якоря приводного двигателя; 16 - длина смотанного с барабана каната; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; иТГ - напряжение тахогенератора; ПТ - предохранительный тормоз; БЗ - блок защиты; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; ЭВМ - электронно-вычислительная машина; БР - блок расчета; /¡Я - ток якоря приводного двигателя в момент зависания опускающегося подъемного сосуда; БС - блок сравнения.
Рис. 1. Алгоритм контроля напуска каната: 1 - приводной двигатель; 2 - муфта; 3 - барабан; 4 - тахогенератор
В данном алгоритме связь между двигателем, ЭВМ и предохранительным тормозом осуществляется посредством преобразователя аналоговых величин в цифровой код (АЦП) и цифрового кода в аналоговую величину
(ЦАП). Сигналы напряжения управления иу и длина смотанного с барабана каната ¡б обрабатываются с по-
г
мощью ЭВМ в цифровой форме, а по ним определяется возможная величина Iя в момент зависания сосуда на определенном участке пути в данный момент времени. Сигнал, соответствующий действительному току якоря
1я в данный момент времени, также в цифровой форме поступает в ЭВМ. В блоке БС осуществляется сравне-
I
ние цифровых сигналов соответствующих токов I% и . В случае зависания опускающегося подъемного
сосуда I% становится равным , и сигнал с блока сравнения поступает на вход узла защиты и вызывает включение предохранительного тормоза, вызывая экстренный останов привода ШПУ. Входными величинами для опре-
г
деления I% соответствующего срабатыванию тормоза являются напряжение управления иу и длина смотанного с барабана каната.
Последняя может быть определена по напряжению тахогенератора и^г следующим образом. При применении тахогенератора 4 в качестве датчика угловой скорости барабана его напряжение
иТг = а• —,
dt
йф
где и^г - напряжение тахогенератора; а - коэффициент передачи; ~~~ - угловая скорость барабана. Проинтегрировав по времени итг , определим суммарный угол поворота барабана
1 t
ф= — -\ UTr ■ dt. а о
Ф
Далее, введя блок^— , можно получить число оборотов барабана п . 2-к
Задав длину одного витка каната на барабане ¡о и перемножив ее на число оборотов п , определим длину каната, смотанного с барабана ¡б .
г
Величина I% в момент зависания опускающегося сосуда на определенном участке пути, в данный момент
времени, на основе сигналов напряжения управления иу и длины смотанного с барабана каната ¡б определяется исходя из структурной схемы электропривода, соответствующей режиму зависания опускающего сосуда (см. рис. 2).
Uv
КП еп
1 + Тп - р -М
С
х
Яя + h
KJ—►
•(! + Тя - р)
С
i h
С
ц 1 Л. 1 с с12
-* CR -Р2 u
2-к р М, 2. 1
Р
J1 - р
X
к>
а 1
Г J 2 - Р
Мг
Рис. 2. Структурная схема электропривода подъемной установки
I
а
1
Я
1
1
1
n
V
l
0
1
На этой схеме обозначено: иу - напряжение управления; кп - коэффициент преобразователя; Тп - постоянная времени тиристорного преобразователя; р - постоянная преобразователя; ер - ЕДС преобразователя; ДЯ -сопротивление якоря; СЕ - жесткости собственной механической характеристики в системе ТП-Д; Тя - постоянная времени якоря; и - угловые перемещения барабана и сосуда; М - приведенный момент двигателя; МС5 - приведенный статический момент поднимающегося сосуда; НП и h соответственно высота подъема и расстояние от верхней приемной площадки до оси копрового шкива; 1я - ток якоря приводного двигателя; 16 - длина смотанного с барабана каната; 10 - начальная длина каната; иТГ - напряжение тахогенератора; ¡¡Я - ток якоря приводного двигателя в момент зависания опускающегося подъемного сосуда; и! - суммарный приведенный момент инерции подъемной машины; ^ - приведенный момент инерции опускающегося сосуда; ^ - приведенный момент инерции поднимающегося сосуда.
Структурной схеме рис. 2 соответствует следующая система уравнений:
м - м12. = J\ • p ;
м1.2.+ мс5 = J 2 • p-®2 ;
р • М1.2.= С1 2.- (®1 -®2) ;
р ■ 1я =~
R
я е
' СФ 1 -■ 1я --—®i + -— еп
я Е
L
я
я
1 Кп тт
р ■ еп =----еп +---uy.
1 п 1 п
Решив систему уравнений относительно Iя , получим следующее выражение для тока якоря приводного двигателя в момент зависания опускающегося подъемного сосуда
IЯ (р) =
иУкП , CEW1UTT.MC5
1 -
ТПР т 2 JlP
1 -
WU
1иТ.Г.
J2 Р
J2 Р
-1
Rя (1+ТяР)'
- кПСЕ ^
1 + ТпР.
где
w =■
1
In
1
+ (Нп + h)
p СК■р
2 + С
3-4
Достоинством предлагаемого устройства защиты является простота контроля момента зависания сосуда в стволе и возможность проведения замеров токов и других необходимых параметров во вторичных цепях трансформаторов тока и напряжения, что в условиях сухой и чистой атмосферы машинного зала значительно повышает надежность работы оборудования и линий связи.
Использование аварийных ситуаций в качестве расчетных данных позволяет определить пределы возможностей известных технических решений устройств защиты ШПУ и проводить целенаправленный поиск принципиально новых, что представляет несомненный интерес для их проектирования. При применении этого подхода появляется возможность существенного понижения коэффициентов запаса канатов и элементов механизмов за счет предотвращения недопустимых режимов работы.
Статья поступила 20.08.2015 г.
Библиографический список
1. Чудогашев Е.В., Корняков М.В. Современное состояние и перспективы развития устройств защиты шахтных подъемных установок от аварийных ситуаций // Вестник ИрГТУ. 2003. № 3. С. 22-27.
2. Кузнецов Н.К. Динамика управляемых машин с дополнительными связями: монография. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. 288 с.
3. Патент 2161118 РФ, МПК 7В 66В 5/12А. Устройство для защиты от напуска канатов шахтной подъемной установки / Е.В. Чудогашев, Е.А. Дмитриев, Е.Ю Желтовский, М.В. Корняков.; заявитель и патентообладатель ИрГТУ. № 99111218/03; заявл. 25.05.99; опубл. 27.12.00. Бюл. № 36. 4 с.
