CC BY
22
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО _^ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА
Том 158 1968
ЗАЩИТА ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК ОТ НАПУСКА КАНАТА ПО ПОЛОЖЕНИЮ СОСУДОВ В СТВОЛЕ
Н. И. КЛЫКОВ, В. С. УДУТ
(Представлена научным семинаром кафедры горных машин, рудничного транспорта
и горной Механики)
Способы контроля напуска каната, применяемые в настоящее время на шахтных подъемных установках, являются несовершенными и ненадежными в работе [1]. Защита подъемных установок от напуска каната по положению сосудов в стволе применима для шахт любой глубины, проста в исполнении и надежна в эксплуатации. Сущность этого метода заключается в том, что при нормальной работе подъемной установки положению одного сосуда соответствует определенное положение другого сосуда. При аварийном и эксплуатационном напуске каната это соответствие нарушается, что приводит к срабатыванию специальных устройств, к разрыву цепи защиты и остановке подъемной ^машины.
На одной из шахт Кузбасса указанный принцип использован для защиты подъемной установки от застревания сосудов в разгрузочных кривых. Для этой схемы использованы обычные концевые выключатели, которые включены в цепь защиты (рис. 1). Верхний и нижний выключатели аварийного напуска ВАН] и ВАН2 включены параллельно в цепь защиты таким образом, что при прохождении сосудов один из них размыкается, а другой замыкается. При движении сосудов в обратном направлении разомкнутые контакты концевых выключателей замыкаются, а замкнутые — размыкаются. Таким образом, при нормальной работе установки цепь защиты всегда зашунтирована. В случае застревания сосуда в верхней части ствола концевой выключатель ВАН1 останется разомкнутым, а поднимающийся нижний сосуд разомкнет контакты выключателя ВЛН2. Этот случай соответствует разрыву цепи защиты, что приводит к остановке машины и наложению предохранительного тормоза. Аналогично в цепь защиты включены концевые выключатели ВАН3 и ВАН4 — для другого положения сосудов. Группа выключателей ВАН1 и ВАНг включена последовательно с группой выключателей ВАН3 и ВАН4. Цепь защиты окажется разомкнутой лишь в том случае, когда оба выключателя одной из групп разомкнут свой контакты.
Необходимыми условиями работы приведенной схемы являются следующие. При установке одного сосуда на уровне разгрузки, а другого—на посадочные устройства верхний выключатель ВАН] должен быть разомкнут, а нижний выключатель ВАН2 — замкнут (^то относится и к выключателям другой группы — соответственно ВАНз и ВАН4).
Во избежание разрыва цепи защиты при нормальной работе установки в начале подъемной операции замыкание контактов верхнего выключателя ВАН1 должно происходить раньше» чем разомкнутся контакты
Рис. 1. Принципиальная схема контроля аварийного напуска каната по положению подъемных сосудов
нижнего выключателя ВАН2. В соответствии со сказанным условие установки выключателей для контроля аварийного напуска примет вид
К 4- /в 4- 5В — Д /у - /н — Д /н > 5„ + ак, (1)
где Лп — превышение сосудом нормального уровня разгрузки, м; /в — расстояние между верхним выключателем и включающим кулачком сосуда, установленного на уровне разгрузки, м; /„ — расстояние между нижним выключателем и включающим кулачком сосуда, установленного на посадочные устройства, м;
5Ч — ход верхнего выключателя, м; 5Н — ход нижнего выключателя, м;
А/у— упругое сокращение каната при посадке сосуда, м;
— допускаемая величина эксплуатационного напуска каната,^; ак — амплитуда колебания сосуда на канате, м. Для определения величины превышения сосудом нормального уровня разгрузки предлагается формула (2;
Ни = 0,34-0,4-10~3//, (2)
где //—высота подъема, м.
Величина упругого сокращения каната при посадке подъемного сосуда (3)
Д'у=.0в84.10-вМ£пр-//0). <3>
где к0 — коэффициент концевол нагрузки;
¿Пр — прочная длина каната, м;
Н0 — наибольшая длина отвеса каната, м.
Допускаемую величину эксплуатационного напуска предлагается принимать равной 0,2 м. Амплитуда колебания сосуда на канате зависит от высоты подъема и характера пуска двигателя. В среднем эта величина составляет 0,1 м.
Для определения расстояний 1в и /н необходимо обосновать допускаемую величину аварийного напуска каната. Эту задачу решаем, исходя из двух предпосылок: 1) при срыве застрявшего сосуда канат нагружается усилиями, не превосходящими максимальных нагрузок при нормальной работе, что обусловливает пригодность каната к дальнейшей эксплуатации; 2) в аналогичном случае канат нагружается усилиями, значительно превосходящими максимальные рабочие нагрузки, но остается целым. Пригодность каната к дальнейшей эксплуатации
Рис. 2. Расчетная схема для определения допускаемой величины аварийного напуска каната
не гарантируется. Выявим сначала зависимость между величиной аварийного напуска и усилиями* возникающими в канате при падении застрявшего сосуда.
Исследуя аналогичные явления, проф. Ф. В. Флоринский для определения напряжений в канате приводит уравнение в форме бесконеч-
ных рядов [4]. Исходя из анализа этого уравнения там же приводится формула для определения максимальных динамических усилий.
- (а* + /сд) <3, (4)
где ак — отношение веса ненавитой части каната к полной концевой нагрузке;
(2 — вес груза, приложенного со скоростью к нижнему концу каната, кг.
Коэффициент /сд, в свою очередь, зависит от сечения каната, модуля упругости, скорости распространения волн деформации и скорости груза, подвешенного к нижнему концу каната. Значение этого коэффициента приводится в цитируемой работе. Однако решение по методике проф. Ф. В. Флоринского является довольно сложным, причем определение ряда исходных величин практически затруднительно.
Приводим решение задачи, исходя из теории растягивающего удара (5) и пренебрегая влиянием массы каната на удар, потерей энергии падающего груза на рассеивание и энергией волн. В соответствии с принятыми допущениями работа падающего груза целиком переходит в потенциальную энергию деформации каната (рис. 2).
2 , (5)
где АНа — аварийный напуск, м;
8—абсолютная деформация каната при динамическом нагру-жении, м. Величина деформации
л _ Р А ' 1к
где /к — длина каната, участвовавшего в растягивающем ударе, м; Ек — модуль упругости каната, кг;'смг;
— суммарное поперечное сечение проволок каната, см1. Подставив значение (6) в формулу (5) и сделав соответствующие преобразования, получим
Р2,/ р ./
Д _ _' л ' к___1 д ¿к ,
на~~ 2(2ЕКЪ5К Ек: £5К ■ (7)
Длина каната, участвовавшего в динамическом растяжении
350° +Ло' (8)
где ¿с — длина струны каната, м;
От — диаметр направляющего шкива, м\ ср° —угол наклона струны каната к горизонту, град.; Л0 — наименьшая длина отвеса каната, м.
Подставив в формулу (7) значение длины каната, подвергнутого растягивающему удару (8), получим
"на —
«Ри(то + 90')
360° 0
1--- д— (^ - 1 1 (9)
Для соблюдения условия сохранения каната для дальнейшей эксплуатации максимальное динамическое усилие при растягивающем ударе не должно превышать удвоенного максимального статического усилия (6).
ИА <2((10+рН0), (10)
где <Зо — расчетная концевая нагрузка, кг; р — вес 1 м длины каната, кг/м. Для соблюдения условия предотвращения обрыва каната динамическое усилие при растягиьающем ударе не должно превышать разрывной нагрузки на канат, т. е.
Р < = т<ь (Яо+.рНо)
*бР ' О1)
где ^р — разрывное усилие для каната, кг;
лгбр — коэффициент безопасности от разрыва каната; /Иф — фактический запас прочности каната.
Заменив в формуле (9) значение динамического усилия (10), получим допускаемую величину аварийного напуска, исходя из условий сохранения работоспособности каната
2 (<1о+рН0) ((¿0+рН0 тс Рш (ср° + 90°) А 1
360°
- 1
£к 15К \
I 2{д0 + рн0) т0+ри0 1
\ (I
(12)
Сделав аналогичную подстановку значений динамического усилия (И) в формулу (9), получим допускаемую величину аварийного напуска, исходя из условий предотвращения обрыва каната:
тф (С?0+рН0]
2 /сбР'<3
, [ 2 КьгО._л_36СГ_Ч
Лня -
I , *Рт(<?°+ 90°)
360° (13)
1 _ /М(Зо+ рН,) Г гпф((]0 +рН0) _ г [ 2л:бр • Q
Выведенные формулы (12) и (13) применимы как для случая застревания порожнего сосуда, так и для случая застревания сосуда с грузом. •
Для определения модуля упругости каната можно использовать формулу, предложенную проф. Ф.В. Флоринским (4),
Е. = 0,86-10» (Х^)4. (М)
Прочная длина каната (7)
106
£1П р —
(15)
ТГ/яф
где опч — расчетный предел прочности каната, кг/см2; 7 — фиктивный вес 1 м* каната, кг/м*. Для обеспечения работосп' собности рассмотренной выше схемы контроля напуска (рис. 1) принятая величина допускаемого аварийного напуска в любом случае должна удовлетворять условию
¿на > Д /у + Д/н +4 + 5Т, (16)
где 5Т — дополнительная длина каната, свиваемого с барабана после подачи импульса на торможение до остановки машины,
Из формулы (16) расстояние от включающего'кулачка нижнего сосуда до положения выключателя аварийного напуска
К = Анп - А/у ~ А/н - SH - ST. (17)
Ввиду того, что при образовании аварийного напуска в верхней части ствола скорость сосуда незначительна, а замедление при предохранительном торможении в этом случае составляет около 5 м/сек29 величина тормозного пути, входящая в формулы (16) и (17), составляет не более 0,1 м. В случае застревания сосуда в средней части ствола тормозной путь во много раз превышает указанную величину и наиболее просто может быть определен экспериментально.
Для верхнего выключателя расстояние от его установки до включающего кулачка сосуда, находящегося на уровне разгрузки, определяется из условия (1).
/8 - /н + Д/у +Д/Н + +.aK-hn-S„ , (18)
Пример. Произвести установку концевых выключателей для защиты подъемной установки шахты им. С. М. Кирова (Кузбасс) от аварийного напуска каната в верхней части ствола по положению подъемных сосудов. Нормальный вес поднимаемого груза 7000 кг; мертвый вес скипа 6000 кг; наибольшая и наименьшая длина отвеса каната соответственно составляют 245 и 10 м; фктический запас прочности каната 8; вес 1 м длины каната 6,1 кг/м; площадь сечения проволок каната 7 см2; длина струны, включая часть каната, расположенного на шкиве, 45 м.
Решение. Определяем модуль упругости каната (14).
Ек - 0,86 -1061 = 1,5- Ю6 кг/см2.
Допускаемая величина аварийного напуска из условий сохранения работоспособности каната после растягивающего удара (12)
55 2(6000 + 7000 +6,1-245) /6000 + 7000 + 6,1-245 }
, ' _ __1,5-106-7 ._[_-6000 _
/¿на — '
1 _ 2(6000 + 7000+6,1-245^ /6000 + 7000 4- 6,1"245 _
1,5-10е-7 \ ' 6000
= 0,19 м.
Принимаем коэффициент безопасности 1,2. Допускаемая величина аварийного напуска из условий предотвращения обрыва каната(13)
816000 + 7000+ 6,1-245) _ ^
„ 8 (6000 + 7000 +6,[ • 24С) 00 • —
__1,2-1,5-106-7
1 _ ?J_6000 + 7000 6>1 *245
1,2-2.6000
(6000 + 70Э0+ 6,1-245) 1.2-2*6000
1,2-1,5-10е 7 = 3,25 л.
Решение по методике проф. Ф. В. Флоринского дает соответственно для первого и второго случаев ЛЛа = 0,18л« и АНа == 3:32-и, т. е. получаемая разница в результатах не имеет существенного значения. Ввиду того, что допускаемая величина аварийного напуска, исходя из условий сохранения работоспособности каната, значительно ниже величины превышения нормального уровня разгрузки, ориентируемся на второй случай. Принимаем коэффициент концевой нагрузки 0,55; расчетный предел прочности каната 180 кг/мм1; фиктивный вес 1 мг каната 9200 кг;м\ Прочная длина каната (15)
180- 10е Ln р =-= 2440 м.
Р 90Э0-8
Упругая деформация каната при посадке сосуда (3)
Д/у = 0,84-10~6*0,55(2440 — 245)-245 - 0,25м.
Величина превышения уровня разгрузки (2) Лп = 0,3 + 0,0001- 235 - 0,435л*.
Принимаем: Д/н = 0,2ж; ак =0,1 л«; = 0,1 м; $н = Зв=0,1м. Определяем расстояние от включающего кулачка сосуда, установленного на посадочные устройства, до нижнего выключателя аварийного напуска (17)
/„ = 3,35 — 0,25 — 0,2 — 0,1 -0,1 =2,7*.
Расстояние от включающего кулачка сосуда, установленного на уровне разгрузки, до верхнего выключателя аварийного напуска (18)
/в = 2,7 + 0,25 + 0,2 + 0,1 +0.1 - 0,435-0,1 = 2,815*.
Расчеты по приведенным формулам для конкретных шахт Кузбасса показали, что большей частью не удается соблюсти условие сохранения работоспособности каната после ударного нагружения, так как получаемые результаты в этом случае не позволяют произвести настройку концевых выключателей по рассмотренной схеме. По этой причине рекомендуется ориентироваться на второй вариант, гарантирующий только целостность каната. Возможность же дальнейшего использования каната решается по эффекту ударного нагружения или путем испытаний каната.
Схема, представленная на рис. 1, имеет следующие недостатки: 1) отсутствие контроля эксплуатационного напуска; 2) замыкание и размыкание контактов аварийных выключателей происходит под током, что вызывает пригорание контактов и понижает надежность работы схемы; 3) отсутствует Сигнализация о характере нарушения режима работы установки. Предлагаема^ схема (рис. 3) лишена перечисленных недостатков. Выключатели аварийного напуска включены не в общую цепь защиты, а в отдельную цепЪ питания контакторных катушек. Так, группа выключателей аварийного напуска ВАН( и ВАНг включена в цепь контактора аварийного напуска КАНЬ который обеспечивает защиту от застревания одного из сосудов. Выключатели второй группы ВАН3 и ВАН4 включены в цепь контактора аварийного напуска КАН2 и защищают установку от застревания другого сосуда. Выключатели одной группы устанавливаются последовательно между собой и с питаемым контактором с таким расчетом, чтобы при нормальной работе один из выключателей был-замкнут, а другой — разомкнут. При образовании аварийного напуска оба выключателя одной группы замыкают свои контакты, давая питание катушке соответствующего контактора. Контактор, получивший питание, размыкает нормально замкнутые контакты в общей цепи защиты и замыкает нормально разомкнутые контакты в цепи отдельного сигнального устройства. Происходит остановка машины с одновременной подачей сигнала машинисту подъема — загораются лампы аварийного напуска ЛАН1 и ЛАН2.
Для контроля эксплуатационного нйпуска каната в схему введена еще одна группа выключателей: ВЭН1 и ВЭН2. Эти выключатели имеют нормально открытые контакты, которые включены последовательно Йтежду собой и в цепь катушки контактора эксплуатационного напуска КЭН. Следовательно, катушка контактора КЭН получит питание лишь в случае одновременного замыкания контактов выключателей ВЭН| и ВЭН2. Это и происходит, когда эксплуатационное удлинение канатов превышает допускаемую величину,, т. е. когда возможный фактический
напуск каната будет превышать допускаемую величину. При получении питания катушки контактора КЭН размыкает контакты в общей цепи защиты и замыкает контакты, питающие лампу эксплуатационного напуска ЛЭН. В отличие от выключателей аварийного напуска выключатели ВЭН1 и ВЭНг фиксируют положение «замкнуто» только в период прохождения около »их включающих кулачков на сосудах. Установка выключателей эксплуатационного напуска производится после тщательного регулирования длины канатов, когда выбирается вся пластическая 4 деформация канатов. Верхний выключатель ВЭН1 устанавливается произвольно, метров на 5—10 ниже включающего кулачка сосуда, - установленного на уровне разгрузки. Затем опускают верхний сосуд до
Рис. 3. Предлагаемая схема защиты подъемной установки от напуска каната
срабатывания выключателя ВЭНь В это время почти на такую же высоту поднимается второй сосуд и выключатель ВЭН2 устанавливают ниже включающего кулачка этого сосуда на величину допускаемого напуска или принятого шага регулирования каната. Приемлем и обратный порядок установки выключателей эксплуатационного напуска; сначала произвольно устанавливается нижний выключатель ВЭН2, поднимают нижний сосуд до срабатывания ВЭН2 и затем с принятым снижением устанавливают верхний выключатель ВЭН2. В том и другом случае выключатели не должны попадать в зону загрузки и разгрузки. Для концентрирования внимания машиниста можно рекомендовать сирену напуска СН, включаемую при срабатывании любого контактора аварийного или эксплуатационного напуска. Для восстановления цепи защиты предусмотрены обходные переключатели ПО], П02 и П03. Методика настройки выключателей аварийного напуска не отличается от описанной выше.
Кроме перечисленных преимуществ предложенная схема не требует потребления энергии, так как включение и выключение контактов при нормальной работе установки происходит в разомкнутых цепях. Вся необходимая аппаратура комплектуется по блокам из элементов, выпу-
скаемых промышленностью. Выключатели эксплуатационного и аварийного напуска лучше применять бесконтактного типа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Н. И. Клыков. Контроль напуска каната на подъемных установках. Колыма, № 1, 1960.
2. Н. И. К л ы к о в. Настройка концевых выключателей и ограничителей скоростж на скиповых подъемных установках. Колыма, № 5, 1959.
3. Н. И. Клыков. Сравнение эксплуатационных качеств механизмов переста* новки барабанов шахтных подъемных машин. В кн.: «Износ и прочность горного оборудования», Углетехиздат, 1959. '
4. Ф. В. Ф л о р и н с к и й. Динамика шахтного подъемного каната. Углетехиздат, 1955.
5. Н. М. Беляев. Сопротивление материалов. Гостехиздат, 1945.
6. Н. И. Клыков. О максимальных динамических усилиях в канатах у обода барабанов шахтных подъемных машин. Известия Томского политехнического института, т. 104, 1959.
7. Н. К. Правицкий. Рудничные подъемные установки. Металлургиздат, 1956.
