Оценка режимов предохранительного торможения шахтных подъемных машин

Машиностроение и машиноведение

Итак, с помощью программы ANSYS авторами рассмотрено напряженно-деформированное состояние цилиндра при радиальном сжатии. Полученные результаты позволяют выбирать оптимальное значение обжатия при поперечной обкатке, используемой в качестве методов поверхностного пластического деформирования.

Оценка напряженного состояния образцов, обкатанных плоскими плитами, по эквивалентным напря-

жениям и по показателю жесткости схемы напряженного состояния наглядно показывает, что данный вид поверхностного упрочнения можно использовать для получения качественных деталей машин.

Предложенная величина абсолютных обжатий -0,1-0,2 мм, соответствует параметрам, которые используются в процессах поверхностного пластического деформирования.

Статья поступила 14.09.2015 г.

Библиографический список

1. Фам Дак Фыонг, Зайдес С.А., Нгуен Ван Хуан. Определение условий поперечной обкатки при поверхностном пластическом деформировании // Вестник ИрГТУ. 2015. № 4 (99). С. 48-52.

2. Лисицин А.И., Остренко В.Я. Моделирование процессов обработки металлов давлением (оптические методы). Киев: Технка, 1976. 208 с.

3. Поперечно-клиновая прокатка / Г.В. Андреев, В.А. Клуш-кин, Е.М. Макушок, В.М. Сегал, В.А. Щукин. Минск: Наука и техника, 1974. 160 с.

4. Кантер Ю.Л. Напряженно-деформированное состояние и прочность цилиндра в условиях циклического радиального сжатия: дис. ... канд. техн. наук: 01.02.06. Киев: КОЛПИ, 1983. 197 с.

5. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / под общ. ред. Д.Г. Красковского. М.: КомпьютерПресс, 2002. 224 с.

6. Скопинский В.Н., Захаров А.А. Сопротивление материалов: учеб. пособие. М.: Изд-во МГИУ, 2005. Ч. 2. 165 с.

7. Зайдес С.А. Остаточные напряжения и качество калиброванного металла. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 1992. 200 с.

УДК 622-1/-9

ОЦЕНКА РЕЖИМОВ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ШАХТНЫХ ПОДЪЕМНЫХ МАШИН

© Н.К. Кузнецов1

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Оптимальные режимы торможения, обеспечивающие минимальные динамические нагрузки, позволяют увеличить безопасность эксплуатации и долговечность подъемных установок. Для выбора режима предохранительного торможения шахтной подъемной машины необходимо выполнить его оценку на основании параметров, обусловленных рядом объективных факторов. Активное развитие современных средств контроля технологических параметров позволяет реализовать задачу обеспечения режима предохранительного торможения исходя из критериев оптимизации. Поэтому разработка способа регулируемого предохранительного торможения, который автоматически выбирал бы критерии исходя из условий аварийной ситуации, становится особенно актуальной. Ключевые слова: динамические нагрузки; шахтная подъемная установка; режимы торможения; предохранительное торможение.

HOIST SAFETY BRAKING MODE ESTIMATION N.K. Kuznetsov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Optimal braking modes providing minimal dynamic loads allow to improve mine hoist operation safety and durability. To select a mode of mine hoist safety braking it is necessary to assess it on the basis of parameters determined by a number of objective factors. Active development of modern means to control process parameters allows to implement the task of ensuring the safety braking mode based on the optimization criteria. Therefore the development of the method of controlled safety braking, which automatically selects the criteria based on the emergency conditions is particularly relevant.

Keywords: dynamic loads; mine hoist; braking modes; safety braking.

Оптимальные режимы торможения, обеспечивающие минимальные динамические нагрузки, позволяют увеличить безопасность эксплуатации и долговечность подъемных установок.

Для выбора режима предохранительного торможения шахтной подъемной машины необходимо выполнить его оценку на основании следующих параметров:

1 Кузнецов Николай Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: 89025613072, e-mail: I07@istu.edu

Kuznetsov Nikolay, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, tel.: 89025613072, e-mail: I07@istu.edu

- вид аварийной ситуации, вызвавшей срабатывание предохранительного тормоза;

- вид выполняемой операции - спуск или подъем груза (людей);

- соответствие верхнему и нижнему пределу замедления;

- допустимый путь предохранительного торможения;

- скорости и ускорения подъемного сосуда в момент начала торможения;

- длина струны каната в момент начала торможения;

- масса концевого груза;

- значения движущих усилий;

- конструкция тормозной системы;

- режим предохранительного торможения (из условия обеспечения минимума динамических нагрузок).

Применение каждого параметра обусловлено рядом объективных факторов.

Вид аварийной ситуации, вызвавшей срабатывание предохранительного тормоза. Для обеспечения минимальных динамических нагрузок нужно учитывать отличие закономерности их формирования при различных возмущениях. Например, динамические нагрузки при наложении предохранительного тормоза в момент зависания опускающегося сосуда будут отличаться от его наложения в других аварийных ситуациях.

В зависимости от вида аварийной ситуации нужно учитывать и ряд специфических требований. Так, например, если сработала защита от напуска каната, то процесс торможения должен быть таким, чтобы, с одной стороны, обеспечить минимальную величину напуска каната, а с другой - плавность торможения для снижения динамических нагрузок в поднимаемой груженой ветви. Нужен дифференцированный подход к формированию процесса торможения в зависимости от типа сработавшей защиты.

Предохранительное торможение подъемной установки вызывают следующие виды защит и блокировок:

- переподъем сосуда;

- износ тормозных колодок сверх нормы;

- самопроизвольный обратный ход машины;

- увеличение против расчетного периодов пуска, замедления или дотягивания;

- повреждение электрической цепи управления рабочим тормозом или повреждение механического привода ограничителя скорости;

- замыкание в цепях управления и защиты;

- контроль работы тормозной системы и положения механизма перестановки;

- открытие дозатора при движении подъемной машины;

- превышение максимальной скорости;

- провисание струны и напуск каната;

- срабатывание максимальной и нулевой защиты;

- нарушение нормальной загрузки или разгрузки сосудов и конечных положений механизма.

Вид выполняемой операции - спуск или подъем

груза. При спуске груза в период холостого хода ускорение органа навивки и сосуда имеет положительное значение, т.е. система разгоняется, а натяжение груженой ветви уменьшается. После истечения времени холостого хода тормоза увеличивается тормозное усилие и замедления приобретают отрицательные значения. Натяжение ветви каната увеличивается.

Необходимый тормозной момент для обеспечения безопасного замедления должен определяться исходя из режима работы подъемной машины. При подъеме груза тормозной момент может быть меньше, чем при его спуске, в частности, он может быть меньше статического момента.

Соответствие верхнему и нижнему пределу замедления регламентируется правилами безопасности: нижний предел - замедление машины при спуске груза - должен быть не менее 1,5 м/с2. Верхний предел -замедление машины при подъеме груза - должен быть не более 5 м/с2 - служит для предотвращения расслабления каната при торможении (для устранения возможности набегания сосуда).

Допустимый путь предохранительного торможения. При подходе сосуда к приемной площадке торможение должно осуществляться из условия остановки в заданном месте. Соответственно нужно иметь переменный режим замедления, повышающийся по мере приближения к приемным устройствам.

Путь, соответствующий реальному режиму торможения, определяется формулой

= dt,

где и - скорость во время торможения; ^ и ^ - моменты начала торможения и стопорения соответственно.

Согласно правилам безопасности (ПБ) при переподъеме подъемного сосуда на 0,5 м над нормальным положением при разгрузке должен срабатывать предохранительный тормоз. Для обеспечения безопасности необходимо выполнение условия достаточной высоты переподъема:

Ц,п + 0,5 < hn,

где ^ - путь предохранительного торможения;

- нормируемая высота переподъема.

Допустимый путь предохранительного торможения нужно учитывать и при срабатывании защиты от напуска каната. При этом предельное значение тормозного пути будет определяться из условия обеспечения минимальной петли напуска каната. Допустимая длина напуска каната над застрявшим сосудом из условия его прочности при внезапном срыве застрявшего сосуда в стволе шахты рассчитывается как [1]

AZ =

и + A - Z

2 р

E • FK •

-1

B

Ъ~р

h

T

где A =

^ ~

Z; B = Qn+QC

О, - предел прочности материалов проволок каната на разрыв, кгс/мм ; ^ - площадь по металлу всех проволок в сечении каната, мм ; щ =2+4 - коэффициент запаса прочности каната при внезапном приложении нагрузки; г - расстояние от оси копрового шкива до места застревания сосуда в стволе, м; р - вес 1 м

каната; Е - модуль упругости каната; Яп, ( - вес полезного груза и сосуда соответственно.

При поступлении сигнала на предохранительное торможение во время движения сосуда вблизи приемных устройств также должна быть обеспечена защита от жесткой посадки сосудов.

Скорость и ускорение подъемного сосуда в момент начала торможения. Следует обратить внимание, что на формирование колебаний при переходном процессе оказывает влияние величина начального ускорения или замедления подъемной машины [2, 3]. Допустим, что машина разгонялась при подъеме груза и последовал сигнал на предохранительное торможение. В этом случае к органу навивки прикладывается возмущающее усилие, равное сумме усилий - двигателя и статического:

(п + Яо + Рк Н , где Ик - текущее положение подъемного сосуда.

Величина начального ускорения и замедления в момент подачи сигнала на предохранительное торможение влияет также и на амплитуду динамических нагрузок.

Длина струны каната в момент начала торможения. В момент предохранительного торможения канат испытывает значительные динамические нагрузки из-за колебаний его струны, которые необходимо ограничивать для предотвращения обрыва. Следовательно, нужно также иметь переменное задание замедления: низкое при большой длине каната и повышающееся по мере ее уменьшения.

Проблема усугубляется еще и тем, что из-за значительных колебаний каната может возникнуть несоответствие между угловым перемещением барабана и самого сосуда. В частности, при предохранительном торможении возможна ситуация набегания сосуда на канат, т.е. сосуд поднимется на некоторую высоту, затем упадет и сообщит канату растягивающий удар. Поэтому длина каната, смотанного в момент начала торможения, должна быть определяющим параметром для выбора такой величины замедления, которая позволит исключить данное явление.

Конечно, оптимальным вариантом было бы задавать режим торможения в зависимости от перемещения непосредственно сосуда. Но в настоящее время ни одна подъемная установка не обладает устройством, которое контролировало бы перемещение самого сосуда: весь контроль производится по угловому перемещению барабана, на основе этого же строятся и схемы управления торможением.

Масса концевого груза. От массы концевого груза

зависят как статические, так и динамические характеристики при предохранительном торможении. Масса поднимаемого груза определяет величину статической нагрузки, а значит и величину тормозного усилия, которое согласно ПБ принимается равным его утроенному значению.

Во время холостого хода тормоза шахтная подъемная установка находится в режиме свободного выбега. Замедление (при подъеме груза) и ускорение (при спуске груза) возникают мгновенно при отключении двигателя и остаются постоянными в период холостого хода:

аов = ±1/ Мов ,

где Мсв - коэффициент массивности свободного выбега, который напрямую зависит от массы концевого груза.

Влияние конструкции тормозной системы. В зависимости от конструкции тормозной системы при выборе режима предохранительного торможения нужно учитывать время срабатывания электрических устройств привода тормоза, время срабатывания элементов управления (золотника, клапана) до момента перемещения поршня привода тормоза, время от начала перемещения поршня до соприкосновения колодок со шкивом канатного барабана.

Режим предохранительного торможения из условия обеспечения минимума динамических нагрузок. При подъеме груза нужно учитывать следующее:

- амплитуда динамических нагрузок определяется величиной замедления (например, если в момент остановки машины мгновенное значение замедления подъемного сосуда равно нулю, то в системе будут минимальные динамические нагрузки);

- максимум динамических напряжений канат испытывает после стопорения подъемной машины;

- для уменьшения нагрузок в подъемном канате целесообразно уменьшить замедление сосуда перед стопорением.

Формирование динамических нагрузок зависит от величины ускорения или замедления и интенсивности их изменения (рывка). С целью уменьшения динамических нагрузок и увеличения долговечности эксплуатации подъемных установок В.С. Тулин рекомендует применять диаграммы со сглаженными переходами скорости, без скачкообразных изменений ускорений [4].

Оптимальная диаграмма движения концевого груза, при котором полностью отсутствуют колебания, получается при трапецеидальном законе изменения ускорения системы с периодами нарастания и уменьшения ускорения ^ =Тя [5]. Величина тк - период собственных колебаний ветви каната с груженым сосудом, расположенным в нижнем крайнем положении. Эту величину В.М. Чермалых определяет как

^ = ю-31К. 1+

п

4 а. г

где ^ - длина каната, соответствующая периоду начала разгона, м; а12 = тК1/ т2 - коэффициент, где

в свою очередь тК1 - масса каната, соответствующая длине ^, кг; т2 - масса концевого груза (сосуда),

подвешенная на канате, кг.

Если исходить из «Правил безопасности для вертикальных подъемных установок», максимальная величина тормозного усилия должна быть более или равна трем статическим, то очевидно, что время нарастания тормозного усилия должно быть менее 1,5 с. Для подъемных установок глубоких шахт период колебаний груженой ветви может быть более 1,5 с. Поэтому реальный тормоз должен иметь возможность регулировки интенсивности нарастания тормозного усилия. В частности, при срабатывании предохранительного тормоза необходимо обеспечить регламентируемое время холостого хода и время срабатывания, а в дальнейшем - такую интенсивность нарастания тормозного усилия, которая позволит получить его максимум за время, равное периоду колебаний груженой ветви.

А.Г. Степанов указывает, что при предохранительном торможении подъема груза максимум напряжений канат испытывает после стопорения подъемной машины. Амплитуда динамических нагрузок определяется величиной замедления сосуда в момент достижения нулевой скорости подъемной машины. Поэтому для уменьшения динамических нагрузок в подъемном канате целесообразно уменьшить замедление сосуда перед стопорением также за время, равное периоду колебаний [6].

Было разработано устройство, в котором скорость ус подачи сигнала на уменьшение тормозного усилия определяется исходя из условия, что через промежуток времени, равный периоду колебаний, скорость барабана должна быть равна нулю:

^С =-| а2 Т -

P

1 —

m + m

Y у

где Т - период колебаний; а2 - замедление машины без учета сил упругости, р - величина рывка.

А.Г. Степанов рассмотрел также теоретическую возможность демпфирования колебаний в процессе замедления машины. Для демпфирования колебаний необходимо иметь систему автоматического регулирования, которая должна сформировать двигательное или тормозное усилие по определенному закону. При этом переходный процесс должен быть устойчивым и апериодическим. Были произведены исследования и предложен способ, при котором тормозное усилие формируется из условия обеспечения апериодическо-

го переходного процесса. Суммарное регулируемое тормозное усилие при этом определяется исходя из выражения

РР {г) = ^ {г)+^ {г), где Гк {г) - корректирующая составляющая тормозного усилия, пропорциональная разности скорости перемещения подъемной машины и сосуда.

Для уменьшения динамических нагрузок после остановки машины величина тормозного усилия перед стопорением уменьшается с интенсивностью пропорциональной периоду колебаний, а после того, как машина остановится, тормозное усилие увеличивается до величины, обеспечивающей ее надежное стопоре-ние.

Необходимо обратить внимание на тот факт, что для получения периодического процесса во время холостого хода тормоза к машине должно быть приложено движущее усилие.

Исходя из рассмотренных видов защит и блокировок, можно выделить следующие виды основных аварийных ситуаций, которые нужно учитывать при выборе режима предохранительного торможения:

- зависание подъемного сосуда характеризуется резким изменением статических и динамических усилий;

- возникновение неисправности электрических или механических систем привода и управления характеризуется тем, что при этом сосуд находится в режиме нормального движения;

- переподъем характеризуется перемещением поднимаемого сосуда выше уровня приемной площадки на 0,5 м;

- превышение максимальной скорости движения грузового сосуда на 15% и скорости подхода к приемной площадке более 1,5 м/с считаются предельно допустимыми;

- самопроизвольный обратный ход машины характеризуется изменением направления вращения подъемной машины в сторону, противоположную заданной в начале подъемного цикла.

Бурное развитие современных средств контроля технологических параметров позволяет реализовать задачу обеспечения режима предохранительного торможения согласно критериям оптимизации. Поэтому разработка способа регулируемого предохранительного торможения, который автоматически выбирал бы критерии исходя из условий аварийной ситуации, становится особенно актуальным.

Статья поступила 26.10.2015 г.

Библиографический список

1. Латыпов И.Н., Борохович А.И. Организация контроля и защиты от напуска каната на рудничных подъемных установках. Свердловск: Изд-во Свердловского горного института им. В.В. Вахрушева, 1984. 63 с.

2. Степанов А.Г., Клименков Г.В. Влияние основных параметров тормоза на амплитуду колебаний динамических усилий в подъемном канате // Известия вузов. Горный журнал. 1983. № 2. С. 84-87.

3. Основные принципы защиты от набегания подъемного

сосуда на тяговый канат в шахтном вертикальном подъеме / Е.В. Чудогашев, М.В. Корняков, Е.Ю. Желтовский // Известия вузов. Горный журнал. 2000. № 2. С. 128-131.

4. Тулин В.С. Электропривод и автоматика многоканатных рудничных подъемных машин. М.: Недра, 1964. 194 с.

5. Киричок Ю.Г., Чермалых В.М. Привод шахтных подъемных установок большой мощности. М.: Недра, 1972. 336 с.

6. Степанов А.Г. Динамика машин. Екатеринбург: Изд-во УрО АН, 1999. 392 с.