Автоматизированная система регулирования скорости ленточных конвейеров, как средство повышения безопасности их эксплуатации

УДК 622.647.2

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ, КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ИХ

ЭКСПЛУАТАЦИИ BELT CONVEYOR SPEED CONTROL AUTOMATED SYSTEM AS THE MEAN OF ITS OPERATIONAL SAFETY INCREASE

А. И. Герусов - горный инженер, 654000, Но- A. I. Gerusov - mining engineer, 654000,

вокузнецк, Россия Novokuznetsk, Russia

С. В. Бычков - горный инженер-сейсмолог, S. V. Bychkov - mining engineer - seismologist,

BCV6B3N0, Ванкувер, Канада Vancouver, BCV6B3N0, Canada

В статье описан способ повышения безопасности при эксплуатации шахтных ленточных конвейеров, на которых часто происходят возгорания вследствие высокой скорости движения ленточного полотна и высокой скорости вращения роликов, а также порывы лент из-за высоких динамических нагрузок, возникающих и при пуске груженых конвейеров и их торможении. Как правило, подобные аварии приводят к большим финансовым потерям, а иногда и к человеческим жертвам. Описанная автоматизированная система регулирования скорости ленточного конвейера позволяет изменять скорость движения конвейера в зависимости от его производительности, тем самым значительно уменьшать время работы конвейера на высокой (номинальной) скорости, снижая риск возгорания ленты при трении. Одновременно с применением системы устраняются высокие нагрузки, как механические на элементы конвейера, так и электрические на электродвигатель и кабельные сети. Снижение среднесуточной скорости ленточного конвейера не только повышает уровень безопасности при эксплуатации конвейера, но и позволяет значительно экономить быстро изнашиваемые материалы и электроэнергию, а также улучшить экологию производства.

Целью статьи является разъяснение способа уменьшения или даже полного исключения аварий на ленточных конвейерах путем описания принципа работы автоматизированной системы регулирования скорости ленточных конвейеров.

The article describes mine conveyor operational safety increase method as many fires take place on belt conveyors due to the belt high movement speed and the rollers high rotation speed. Also the belt rupture may take place due to high dynamic loads occurring both at the moment of the loaded belt start and at the moment of breaking. As a rule such accidents cause big financial losses and sometimes to human losses. The described automated belt conveyor speed control system allows to change the conveyor speed depending on its productivity, thereby significantly reducing the conveyor operating time at high (nominal) speed, reducing the belt friction fire risk. Simultaneously with the system application the high loads are eliminated, both mechanical ones on the conveyor elements, and electrical loads to the electric motor and cable networks. Reducing the belt conveyor average daily speed not only increases the conveyor operation safety level, but also significantly saves wear materials and electricity, as well as improves the production ecology.

The purpose of the article is to explain how to reduce or even completely eliminate accidents on belt conveyors by describing the belt conveyors automated speed control system operation principle.

Ключевые слова: АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ, ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРИВОД, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ НАПРЯЖЕНИЯ, ДАТЧИК УРОВНЯ ПОГРУЗКИ, ПОГОННАЯ НАГРУЗКА, ГРУЗОПОТОК, РИСКИ, ПИД РЕГУЛЯТОР, ПОЖАР, ПОРЫВ ЛЕНТЫ

Key words; BELT CONVEYOR SPEED CONRTOL AUTOMATED SYSTEM, FREQUENCY CONTROLLED DRIVE, POWER FREQUENCY CONVERTER, LOADING

91

LEVEL SENSOR, LINEAR LOAD, FREIGHT FLOW, RISKS, PID CONTROLLER, FIRE, BELT RUPTURE

Понятие экономической эффективности работы конвейерного транспорта неразрывно связано с его безопасной работой. Многочисленные примеры порывов ленточного полотна и связанные с этим травмы горнорабочих и ремонты конвейеров на горных предприятиях отрасли случаются, к сожалению, очень часто. Особо следует отметить возгорания и крупномасштабные пожары ленточных конвейеров, приводящие к катастрофическим последствиям. Ярким примером таких аварий служат катастрофы на угольных шахтах мира и России. Так 29 июля 1991 года на украинской шахте «Южнодонбасская №1» в результате возгорания ленточного конвейера погибло 32 горнорабочих. На шахте «Украина» 7 июля 2002 года при возгорании ленточного полотна конвейера погибло 35 шахтёров [1]. То, что в ходе последующих ремонтов горных выработок, конвейеров и оборудования тратятся огромные материальные средства, выступает лишь маленькой долей того, что в ходе аварий теряются человеческие жизни. Именно поэтому на каждой шахте должно уделяться большое внимание вопросам безопасной эксплуатации конвейерного транспорта, ибо часто вопрос уровня добычи на шахтах упирается не только в способность конвейерной линии доставить добычу на гора, но и сохранения жизни шахтёров.

В настоящий момент на шахтах Кузбасса происходит внедрение нового поколения пускового электрооборудования для конвейеров, которое не только позволяет существенно повысить экономическую эффективность работы подземного транспорта, но и сделать её более безопасной для горнорабочих. Существует большое количество видов аппаратуры автоматизированного контроля за работой шахтных конвейеров [2], но их работа в основном направлена на снижение последствий или предотвращение развития уже возникших аварий. Работа предлагаемой нами автоматизированной системы направлена на снижение вероятности возникновения аварий, а в некоторых случаях на их полное исключение.

Безопасность труда и эффективность работы угледобывающих предприятий в значительной степени зависит от технического состояния, грамотной эксплуатации и обслуживания оборудования, минимизации времени и средств на устранение неисправностей. В настоящее время значительную часть себестоимости угля составляют расходы на его транспортировку от

очистного забоя к поверхности шахты, что делает актуальным поиск резервов повышения эффективности использования шахтных транспортных средств, в частности, ленточных конвейеров. В угольной промышленности Кузбасса для обеспечения интенсивного ведения горных работ и увеличения производительности труда используются конвейеры различных модификаций: 1Л-120, ЛУ-120, 1Л80У, 1ЛТ1000, 3Л-1200К и др. Конвейерный транспорт, являясь довольно простым, безопасным и на первый взгляд дешевым, на деле представляет собой довольно энергозатратный вид транспорта, с очень низким коэффициентом полезного действия.

В последнее десятилетие резко возросла производительность очистных механизированных забоев. Одновременно возросла нагрузка и на конвейерный транспорт. Увеличились ширина конвейерной ленты и скорость ее движения. Выросла мощность электродвигателей приводов. Вполне очевидно, что там, где присутствуют высокая скорость и мощность, там присутствует и повышенная опасность возникновения аварии.

Основными причинами аварий при работе конвейерной линии являются высокие динамические нагрузки, возникающие в момент пуска и остановки гружёного конвейера, и высокая скорость движения конвейерной ленты и вращающихся роликов. Это проявляется в виде:

- порывов лент и цепей конвейера,

- ускоренного износа элементов конвейера,

- деформации металлоконструкций,

- появления зазоров в болтовых соединениях,

- нарушения центровки приводных барабанов и роликов,

- ускоренного разрушения роликов их нагрев и возгорание,

- проскальзывания ленты на приводных барабанах с угрозой воспламенения ленты,

- ускоренного износа футеровки приводных барабанов,

- уменьшения толщины обкладок конвейерной ленты,

- перетирания слоёв ленты, с угрозой пожара,

- ускоренного износа тормозных устройств при остановке гружёного конвейера,

- просыпания горной массы при работе с нарушенной центровкой роликов,

- выхода из строя электродвигателей из-за больших и продолжительных пусковых токов,

- неудавшегося запуска гружёного конвейера, срабатывания защиты от перегрузки,

- неэффективного торможения груженого конвейера вследствие износа тормозных колодок,

- засыпания горной массой пункта перегруза впереди стоящего конвейера вследствие отказа или износа тормозов,

- механического резонанса элементов конвейера и разрушения боковины конвейерной ленты из-за ухода её за пределы роликов вследствие нарушения их центровки.

Все вышеперечисленные риски, которых, как вы видите, достаточно много, являются причиной серьёзных аварий и инцидентов, приводящих к возникновению опасных ситуаций в горных выработках, к травмам рабочего персонала и потере значительного объема добываемого угля и, как следствие, к огромным финансовым потерям.

С появлением новейшего электрооборудования есть возможность не только устранить все риски и повысить уровень безопасности работ, но и добиться значительной экономии материальных и энергетических ресурсов. Как это можно сделать?

Рассчитанные на максимальную производительность, конвейеры как ленточные, так и скребковые большую часть своего рабочего времени работают с нагрузкой, не превышающей 1/3 - 2/3 от максимальной величины (рис. 1).

Применив устройство, регулирующее скорость конвейера в зависимости от его загрузки (таким устройством является система, состоящая из преобразователя частоты напряжения [4] и датчика-измерителя уровня погрузки на ленточный конвейер (рис. 2)), можно добиться снижения скорости движения конвейера в 2-3 раза. Разумеется, речь идёт о средней скорости конвейера. В действительности скорость будет

о - 0,33

0.34-0,66 0,67 1,0

Q

Рисунок 1 - Время работы конвейера в сутки при различных величинах грузопотока Figure 1 - The time of the conveyor operation per day for different values of the cargo flow

изменяться от 0,1 до 1,0 её номинальной величины. Настройка работы системы предельно проста. Необходимо только правильно выставить параметры ПИД регулятора (пропорционального интегрально-дифференциального), который является составным элементом преобразователя частоты напряжения.

Работа конвейера с постоянной погонной нагрузкой и пониженной средней скоростью благоприятно скажется на стабильности положения конвейерной ленты, её износе, а главное, снизятся условия возникновения пожара от трения. В настоящее время большинство передовых шахт мира, используя преобразователи частоты, не только добились устранения рисков, но и обеспечили безопасное перемещение людей и грузов по ленточным конвейерам, причём в обоих направлениях. Эти устройства хорошо себя зарекомендовали во многих отраслях промышленности и транспорта. Частотно - регулируемый привод широко применяется на железнодорожном и автомобильном транспорте. Например, он устанавливается на тяговые электровозы ЭП20 и на самый большой в

Рисунок 2 - Схема конвейера с датчиком-измерителем уровня погрузки Figure 2 - Scheme of the conveyor with a gauge-gauge of the level of loading

93

Рисунок 3 - График зависимости мощности перемещения конвейерной ленты Figure 3 - Graph of the dependence of conveyor belt power

мире БелАЗ-75710, а также на все вновь производимые трамваи и троллейбусы. Большинство современной бытовой техники в своём составе также содержит частотный привод, обеспечивающий надежность и безопасность ее работы, это: стиральные машины, холодильники, кондиционеры, сварочные аппараты и микроволновые печи. Пример применения частотного регулирования на угольных шахтах помимо конвейеров - привод подачи комбайнов серии KSW и SL. Многолетняя практика применения показала значительное превосходство частотного привода над гидравлическим. Снизились частота и продолжительность ремонтов, а вместе с этим и травматизм при ведении ремонтных работ.

Снижение скорости движения конвейерной ленты приводит не только к уменьшению возможности возникновения пожара, но и к уменьшению мощности, необходимой для перемещение самой ленты, а следовательно, и к снижению расхода электроэнергии, что отражено на (рис. 3). А отсутствие пусковых токов при запуске конвейеров исключает риск отказа или аварии в пусковой аппаратуре и кабельных линиях.

Снижение скорости конвейерной лен-

ты также приводит к уменьшению пройденного ею пути, а следовательно, и к снижению количества перегибов на приводных, хвостовых и разгрузочных барабанах. Всё это положительно сказывается на прочностных характеристиках ленты и ее ресурсе, что тоже можно считать одним из факторов повышающих безопасность работы конвейера. Одновременно с повышением ресурса конвейерной ленты увеличивается ресурс стыковых соединений, футеровки приводных барабанов, роликов, чистителей и других элементов конвейера. Например, для конвейера длиной 1000м. стоимость конвейерной ленты составляет около 8,5 млн. руб., стоимость роликов 3 млн. руб., стоимость стыковых соединений от 0,15 до 0,3 млн. руб. При снижении скорости конвейерной ленты в 3 раза ресурс этих элементов увеличивается не менее чем в 3 раза, в расчет принимаются малые динамические нагрузки при плавном изменении скорости и ускорения (рис. 4).

В среднем экономия материалов и электроэнергии для конвейера длиной в 1000 м. составляет около 4 млн. руб. [3]. При увеличении длины конвейера экономический эффект пропорционально увеличивается.

Рисунок 4 - Пусковые характеристики преобразователей частоты Figure 4 - Starting characteristics of frequency converters

94

При эксплуатации ленточных конвейеров длиной более 1500 м. применяются промежуточные приводы, сущность которых заключается в перераспределении величины натяжения конвейерной ленты по её длине. Преобразователи частоты, обладающие функцией пуска с заданной величиной момента (рис. 4.), обеспечивают плавное увеличение скорости конвейерной ленты, тем самым значительно снижая усилие на загруженную конвейерную ленту во время запуска конвейера. При использовании преобразователей частоты необходимость в промежуточных приводах отпадает, а это позволит не только сэкономить еще около 6млн.руб., но и значительно повысить безопасность эксплуатации конвейера.

В качестве пускорегулирующей аппаратуры для ленточных конвейеров могут быть использованы преобразователи частоты напряжения различных компаний как отечественных, так и зарубежных. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Но для достижения всех вышеперечисленных факторов одного преобразователя частоты недостаточно, необходима автоматизированная система регулирования скорости конвейера, только в этом случае можно добиться наивысших результатов в повышении

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ресурса конвейеров, снижении их энергопотребления, улучшения экологии и повышения общего уровня эксплуатационной безопасности.

Заключение

История внедрения частотного оборудования для управления конвейерами на шахтах Кузбасса началась в 2009 году с создания системы управления конвейерным транспортом на шахте «Котинская». Получив положительный эффект от приводов с частотным управлением, руководство АО «СУЭК-Кузбасс» оборудовало новыми приводными системами пять шахт, куда, кроме «Котинской», вошли шахты «им. Ялевского», им. Кирова, «Талдинская-Западная-1» и «Тал-динская-Западная-2». Безостановочная работа высокопроизводительных конвейеров позволила шахте «Котинская» в 2010 году и шахте «Тал-динская-Западная-1» в 2013 году поставить всероссийские рекорды по месячной добыче угля.

Аппаратура частотного регулирования зарекомендовала себя как надёжное, безотказное и простое в обслуживании оборудование. За это время не произошло ни одной серьёзной аварии и ни одного смертельного случая, связанного с авариями на конвейерах оборудованных частотным приводом.

1. Крупнейшие аварии на шахтах Украины [Электронный ресурс]. URL: http://kp.ua/incidents/568719-krupneishye-avaryy-na-shakhtakh-ukrayny-za-90-let\

2. Юрченко В.М. Пожарная безопасность ленточных конвейеров: проблемы и решения // Горное оборудование и электромеханика. 2015. № 7. С. 22-27.

3. Конвейеры держат удар [Электронный ресурс]. URL: http://www.elektro-mashina.ru/section/151.html

4. Новиков ГВ. Частотное управление асинхронными электродвигателями. М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2016. 498 с. :ил.

REFERENCES

1. Krupneishiie avarii na shakhtakh Ukrainy [The biggest accidents at the Ukrainian mines]. kp.ua. Retrieved from http://kp.ua/ incidents/568719-krupneishye-avaryy-na-shakhtakh-ukrayny-za-90-let\ [in Russian].

2. Yurchenko, V.M., (2015). Pozharnaia bezopasnost lentochnykh konveierov: problem i reshiniia [Belt conveyors fire safety: problems and solutions]. Gornoie oborudovaniie i elektromekhanika - Mining equipment and electromechanics, 7, 22-27 [in Russian].

3. Konveiery derzhat udar [Conveyors take the punch]. elektro-mashina.ru Retrieved from http://www.elektro-mashina.ru/section/151.html

4. Novikov, G.V. (2016). Chastotnoie upravleniie asinkhronnymi elektrodvigateliami [Frequency control of asynchronous electric motors]. Moscow: Bauman MGTU [in Russian].

95