Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Ільїна Інна Сергіївна

УДК 622.673.1

Розробка та ОБҐРУНТУВАННЯ методу діагностування

стану систем “підйомна посудина - армування” при запобіжному гальмуванні

Спеціальність 05.05.06 - гірничі машини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі гірничої механіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

САМУСЯ ВОЛОДИМир ІЛЛІЧ, завідувач кафедри гірничої механіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

дворников ВОЛОДИМир ІвановиЧ, професор кафедри гірничозаводського транспорту та логістики Донецького національного технічного університету Міністерства освіти та науки України

доктор технічних наук, професор

сердюк андрій олександрович,

завідувач кафедри автомобілів та автомобільного господарства Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ)

Провідна установа: ВАТ “Науково-дослідний інститут гірничої механіки ім.. М.М. Федорова”, відділ шахтного підйому (м. Донецьк)

Захист відбудеться “26” жовтня 2005р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.06 при Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий “23” вересня 2005 р.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На гірничодобувних підприємствах України вугільні і рудопідйомні стволи є найвідповідальнішою ланкою транспортного ланцюга роботи шахт та оснащені складним і потужним транспортно-підйомним устаткуванням. К наступному часу термін експлуатації основної кількості вертикальних стволів рудних і вугільних шахт України перевищив 30-40 років. Їх устаткування експлуатується в стані підвищеного зносу, який перевищує 50-60%, та при відхиленні механічних і геометричних параметрів від значень, припустимих проектом. Але останніми роками у промисловій ситуації України встановилася стійка тенденція зростання видобутку корисних копалин і збільшення глибини розробки родовищ. Це потребує підвищення швидкості руху підйомних посудин у стволі, а в ряді випадків і маси корисного вантажу в порівнянні з відповідними показниками попередніх років. Таке поєднання параметрів підвищення інтенсивності роботи устаткування та рівня корозійного та механічного зносу його елементів в процесі експлуатації підйому є джерелом потенційної небезпеки аварій з тяжкими наслідками, що надовго блокують роботу всього гірничодобувного підприємства. Забезпечення необхідного рівня його експлуатаційної безпеки вимагає систематичного проведення оцінки його технічного стану і прогнозування його змін шляхом проведення комплексних, багатопараметричних апаратурних та експертних обстежень.

Армування стволів є одним з найважливіших елементів підйомного комплексу. Від його технічного стану і працездатності залежать ефективність функціонування всього підземного технологічного устаткування, а також безпека механізованого спуску-підйому людей та вантажів. Таким чином, однією з найважливіших проблем, що виникають в процесі експлуатації глибоких стволів, є забезпечення надійності функціонування армування при русі по них підйомних посудин в робочих і в технологічно припустимих екстремальних режимах.

На сьогодні єдиний спосіб підтримки рівня експлуатації систем “підйомна посудина-армування” глибоких стволів в працездатному стані полягає в виконанні ремонтних робіт, зміст, обсяги та ділянки проведення яких у стволах базуються тільки на даних вимірів відхилень профілів провідників від вертикалі, що виконуються щорічно на вугільних шахта (згідно ПБ), або один раз на 15 років на рудовидобувних стволах України (згідно з ЄПБ) та щоденних візуальних оглядів армування, що робляться з метою виявлення зовнішніх порушень вузлів кріплення.

Режимом, в якому виникають найбільші динамічні перевантаження всіх вузлів підйомних установок (у тому числі армування стволів), є режим запобіжного (аварійного) гальмування, який може відбутися в будь-якій точці стволу. При запобіжному гальмуванні рівень динамічного навантаження провідників армування з боку підйомної посудини може бути еквівалентним, або навіть перевищувати у декілька разів рівень навантажень, які виникають на цій же ділянці стволу при робочому режимі руху посудини. Навіть на ділянці стволу з плавним горизонтальним рухом підйомної посудини у робочому режимі спрацювання запобіжного гальма може викликати аварійно-небезпечне перевантаження металоконструкцій армування напрямними вузлами підйомної посудини. Це показує, що для забезпечення безпечної експлуатації підйомних установок необхідне своєчасне виявлення місць у стволі, на яких запобіжне гальмування підйомної машини може несподівано створити загрозу безпеки експлуатації, та обумовлює актуальність теми дисертаційної роботи.

У зв'язку з масштабністю ситуації, що склалася на шахтах України, виникає наступна наукова задача: встановлення залежностей динамічних параметрів взаємодії підйомних посудин з армуванням від параметрів підйомної установки, що склалися під час запобіжного гальмування (довжини головного канату - координати посудини, параметрів уповільнення підйомної машини, параметрів пружності систем “направляючі посудини - провідники”).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до держбюджетної науково-дослідної теми кафедри гірничої механіки ГП-334 (ДР №0104U00776), в якій автор приймав участь як виконавець.

Мета і задачі дослідження

Мета досліджень полягає у встановлені закономірностей взаємодії підйомних посудин з армуванням під час запобіжного гальмування та у розробці на їх основі методу діагностування стану систем “підйомна посудина - армування” вертикальних стволів в екстремальних режимах роботи шахтних підйомних установок, викликаних запобіжним гальмуванням підйомних посудин.

Наукові задачі, вирішувані для досягнення поставленої мети:–

теоретично дослідити залежність максимальних значень динамічних параметрів взаємодії посудин з жорстким армуванням від довжини головного каната під час запобіжного гальмування, параметрів уповільнення підйомної машини та параметрів пружності направляючих пристроїв в шахтних підйомних установках;–

теоретично дослідити залежність залишкового запасу міцності провідників жорсткого армування в умовах їх нерівномірного по глибині стволу корозійного і механічного зносу від динамічних параметрів системи “посудина - армування” в режимі запобіжного гальмування;–

теоретично дослідити залежність максимальних значень горизонтальних динамічних прогинів провідників гнучкого армування під дією підйомних посудин при запобіжному гальмуванні від уповільнення підйомної машини, довжини головного каната під час гальмування та “коефіцієнта масивності” провідникових канатів;–

експериментально дослідити в промислових умовах характер динамічного навантаження провідників жорсткого армування з боку направляючих підйомних посудин при запобіжному гальмуванні в залежності від уповільнення підйомної машини і довжини головного каната під час гальмування. Розробити метод діагностування стану систем “посудина - армування” в режимі запобіжного гальмування.

Об'єкт досліджень – процес динамічної взаємодії підйомних посудин з провідниками жорсткого і канатного типів армування вертикальних стволів в режимі запобіжного гальмування.

Предмет досліджень – діагностичні параметри взаємодії посудин з армуванням при запобіжному гальмуванні підйомної машини.

Ідея роботи полягає у врахуванні впливу динамічних параметрів вертикальних коливань підйомних посудин у режимі запобіжного гальмування на їх горизонтальну динамічну взаємодію з провідниками армування.

Методи досліджень: аналіз і узагальнення літературних джерел по дослідженню динаміки взаємодії підйомних посудин з армуванням вертикальних шахтних стволів і теорії шахтного підйому для обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи; основні принципи теоретичної механіки, опору матеріалів і математичної фізики використовувалися при виведенні рівнянь динаміки системи “підйомна машина – канати – посудина – армування”; теорія диференційних рівнянь – для побудові коректних рішень; обчислювальні методи і методи комп'ютерного математичного моделювання використовувалися при створенні дослідницьких і прикладних програмних модулів, що реалізують математичну модель динаміки взаємодії підйомних посудин з провідниками армування.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше показано, що у вертикальному стволі кожної підйомної установки існують ділянки провідників армування, на яких при запобіжному гальмуванні виникає режим динамічної нестійкості взаємодії посудини з армуванням, їх довжина по глибині стволу та інтенсивність зростання амплітуд горизонтальних навантажень на провідники мають зворотну функціональну залежність від пружності систем “направляючі посудини - провідник”.

- вперше показано, що при запобіжному гальмуванні у зонах динамічної нестійкості горизонтальних коливань посудин рівень зростання горизонтальних навантажень на армування може досягати 5-6 разів у порівнянні з режимом руху підйомної посудини на робочій швидкості;

- вперше показано, що в умовах інтенсивного корозійного і механічного зносу провідників та розстрілів армування, нерівномірно розподіленого по глибині стволів, головним чинником, що визначає працездатність елементів армування в зонах виникнення динамічної нестійкості взаємодії посудин з провідниками при запобіжному гальмуванні, є максимальні горизонтальні навантаження на провідники з боку підйомних посудин, які виникають у цьому режимі та викликають зниження запасу міцності елементів армування до аварійно небезпечного рівня.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і результатів дисертаційної роботи обумовлюються:–

коректним використанням для отримання наукових результатів фундаментальних методів теоретичної механіки і математичної фізики, теорії диференційних рівнянь, чисельних методів;–

використанням коректних методик експериментальних досліджень динаміки взаємодії підйомних посудин з армуванням шахтних підйомних установок вертикальних стволів в промислових умовах, використання сучасної метрологічно атестованої апаратури для вимірювання, реєстрації, запису й обробки даних;–

задовільною збіжністю результатів теоретичних та експериментальних досліджень на діючих підйомних установках (різниця не перевищує 20 %).

Наукове значення роботи полягає в розвитку теорії динамічної взаємодії шахтних підйомних посудин з армуванням жорсткого і гнучкого типів: встановлення нових закономірностей виникнення параметричної нестійкості в системах “посудина - армування” підйомних комплексів; розробка нового методу розрахунку зон параметричної нестійкості динамічної взаємодії посудин з армуванням залежно від параметрів режиму гальмування і пружно - дисипативних властивостей елементів системи; введенні і обґрунтуванні нового поняття “центр нестійкості” та дослідження динамічної поведінки підйомних посудин в його околі по глибинній координаті точки гальмування в стволі, встановлення рівня його аварійної небезпеки при експлуатації підйомів. На основі цього розроблено новий метод діагностування систем “підйомна посудина - армування” шахтних стволів у режимі запобіжного гальмування, який полягає у проведенні додаткових динамічних випробувань системи “посудина - армування” в режимі запобіжного гальмування та спеціальному аналізі її динамічних параметрів у порівнянні з відповідними параметрами у режимі робочого руху.

Практичне значення одержаних результатів полягає: у розробці методики розрахунку координат та ширини зон параметричної нестійкості і виникнення в них аварійно-небезпечних навантажень на армування при запобіжному гальмуванні для одноканатних установок барабанного типу з жорстким армуванням, для багатоканатних установок з жорстким і канатним армуванням; розробці методики динамічних випробувань систем “посудина - армування” і оцінки працездатності армування в стволі з тривалими термінами експлуатації в умовах підвищеного корозійного і механічного зносу армування.

Реалізація висновків і результатів роботи. Розроблені методи, рекомендації, методики розрахунку і випробувань упроваджені Міністерством промислової політики України в галузевому нормативному документі ГР 3-032-2004 “Діагностика стану систем „кріплення-масив” та підйомна посудина - жорстке армування шахтних стволів. Порядок та методика виконання” (п. 6.2.6.4), затвердженому Мінпром політики України і погодженому Держнаглядохоронпраці України; ВАТ “Запорізький залізорудний комбінат” при проведенні діагностики систем “посудина-армування” Центральної групи стволів; Інститутом геотехнічної механіки ім. Н.С. Полякова НАН України при виконанні обстежень за графіками інструментальної діагностики і комплексної оцінки безпеки експлуатації глибоких стволів рудників Криворізького басейну на 2004-2005 рр.; в учбовому процесі Національного гірничого університету при читанні курсів “Методи діагностики шахтних стаціонарних установок”, “Математичне моделювання процесів у шахтних стаціонарних установках” і “Чисельні методи розв'язання задач гірничої механіки”.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертаційної роботи виконана постановка задач досліджень, розроблені математичні моделі, методи, розв'язання задачі дослідження взаємодії підйомних посудин з провідниками жорсткого і канатного армування в режимі запобіжного гальмування, проведені чисельні дослідження та визначені основні закономірності взаємодії посудин з армуванням при запобіжному гальмуванні, розроблені методики вимірювань і проведений цикл промислових експериментів з взаємодії клітей, скипів і противаг шахтних підйомних установок з провідниками жорсткого армування, розроблена методика динамічних випробувань армування в промислових умовах для установок з тривалими термінами експлуатації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися на науково-технічних конференціях: міжнародна конференція “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (Дніпропетровськ, НГУ, 2002), наукова конференція “Проблеми і перспективи геотехнологій на початку ІІІ тисячоліття” (Дніпропетровськ, НГУ, 2002), міжнародна науково-методична конференція “Проблеми галузевого машинобудування та підготовки фахівців вищої кваліфікації” (Дніпропетровськ, НГУ, 2003), конференція молодих вчених ІГТМ ім. Н.С. Полякова НАНУ “Геотехнічні проблеми розробки родовищ” (Дніпропетровськ, ІГТМ ім. Н.С. Полякова НАН України, 2003), міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані системи управління в гірничо-металургійному комплексі” (Кривий Ріг, КТУ,2004), VI міжнародна науково-технічна конференція “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу” (Дніпропетровськ, НГУ, 2004), II конференція молодих вчених ІГТМ ім. Н.С. Полякова НАНУ “Геотехнічні проблеми розробки родовищ” (Дніпропетровськ, ІГТМ ім. Н.С. Полякова НАН України, 2004), науково-технічна конференція “Енергетика, гірництво: економіка, технології, екологія” (Київ, НТУУ ”КПІ”, 2005), науково-технічна конференція “Проблеми і перспективи розвитку транспорту промислових регіонів” (Дніпропетровськ, НГУ, 2005).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 9 наукових праць, з яких 3 особисті та 7 - у спеціалізованих виданнях, 2 – в збірниках матеріалів конференції.

Зміст і об'єм дисертації. Робота складається з введення, 6 глав, висновків, списку використаних джерел з 131 найменування і 7 додатків. Містить 148 сторінок машинописного тексту, у тому числі 32 рисунки і 4 таблиці.

ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі стисло подано стан питання по динаміці підйомних установок, методах і апаратурі для їх діагностики і випробувань, сформульовані наукові задачі досліджень, сформульована наукова новизна досліджень, приведена характеристика роботи і її загальна структура.

Перший розділ присвячений аналізу основних напрямків у розвитку теоретичних і експериментальних досліджень динаміки шахтних вертикальних підйомних установок у робочих і аварійних режимах їх роботи, методів і апаратури для їх діагностики і випробувань.

Над питаннями розвитку теоретичних і експериментальних методів аналізу динамічних явищ в ланках шахтних підйомних установок в різний час працювали відомі вчені в області шахтного підйому П.П. Нестеров, Г.Н. Савін, Н.Г. Гаркуша, В.І. Дворніков, О.О. Горошко, В.І. Самуся, В.І. Білобров, Л.В. Колосов, А.П. Нестеров, Е.С. Траубе, А.Є. Гавруцкий, В.Д. Мусієнко та ін.

Динамічна взаємодія підйомних посудин з армуванням жорсткого і гнучкого типів носить складний багаточастотний характер просторових коливань і може відбуватися, як в стійкому, так і в нестійкому режимах, залежно від різних технологічних умов і параметрів роботи підйомної установки. Безаварійна експлуатація підйомних установок можлива лише за умови розробки об'єктивних методів оцінки технічного стану вузлів підйомного устаткування у всіх технологічно можливих режимах його роботи. Зараз оцінка працездатності армування вертикальних шахтних стволів проводиться на основі візуальних обстежень та вибіркових випробувань на робочих швидкостях руху підйомних посудин.

Найінтенсивнішим за рівнем динамічних збуджень системи є режим запобіжного гальмування підйомної установки. В цьому режимі виникають найбільш екстремальні навантаження на підйомну машину, канати, посудини і армування.

У зв'язку з цим актуальною науковою і практичною задачею є теоретичне і експериментальне вивчення взаємодії підйомних посудин з армуванням в режимі запобіжного гальмування та обґрунтування методу діагностики армування, що знаходиться в тривалій експлуатації і підвищеному зносі, нерівномірно розподіленому по глибині стволів. Це питання не було достатньою мірою освітлено у роботах попередніх авторів.

В другому розділі представлена розроблена в дисертації математична модель, яка описує динаміку системи “підйомна машина – головний канат – посудина – врівноважувальний канат” в провідниках гнучкого і жорсткого типів армування. В даній моделі враховується вплив динамічних параметрів вертикальних коливань підйомної посудини на їх горизонтальну динамічну взаємодію з провідниками.

Коливання підйомних посудин і канатів з точністю до членів більш високого порядку малості математично описуються наступною системою диференційних рівнянь (рівняння вертикальних коливань головних і врівноважувальних канатів; рівняння поворотних (горизонтальних) коливань посудин; рівняння вертикальних коливань підйомних посудин) з неоднорідними граничними і початковими умовами:

(1)

де ,– відповідно моменти інерції та кути поворотів посудин відносно головних центральних осей інерції; – відстані від центрів мас посудин до верхніх поясів;– натяг головних канатів(, - кількість головних канатів); - натяг врівноважуючих канатів (, де - кількість врівноважуючих канатів); x – координата перетину канату ; t - час; – осьовий момент інерції шківа; - кут повороту шківа; – гальмівний момент, прикладений до шківа; R – радіус барабана; – сила ваги одиниці довжини головних і врівноважуючих канатів; Qi – сили ваги кінцевих вантажів (); - функції абсолютного подовження головних канатів (); - функції абсолютного подовження врівноважуючих канатів обох гілок (); EF, ,– відповідно жорсткості та коефіцієнти дисипації головних та врівноважуючих канатів; – довжини головних канатів під час гальмування посудин, що опускаються і підіймаються; – повна довжина головних канатів; , , - функції, що враховують сумарні жорсткості направляючих провідників посудини:

- для жорсткого армування

(2)

- для канатного армування

, (3)

де – приведені жорсткості роликових амортизаторів направляючих посудин; - приведені жорсткості системи “башмак - провідник” при жорсткому контакті башмака з провідниками; , - кінематичні зазори між запобіжними башмаками і провідниками; - кінцеві сили натягу провідникового канату; - сили ваги одиниці довжини провідникового каната.

Залежність між зусиллями і деформаціями в головних і врівноважуючих канатах

. (4)

Розв'язання системи рівнянь (1) зводиться до розв'язання рівнянь типа Матьє-Хілла (5)

,

,

.

(5)

Коефіцієнти рівнянь (5)

, ,

, ,

, ,

Для жорсткого армування

.

Для канатного армування

, .

Розв'язання системи (5) може бути стійким з постійними амплітудами горизонтальних коливань підйомних посудин і нестійким з наростанням амплітуд горизонтальних коливань залежно від значень коефіцієнтів рівнянь (5). Коефіцієнти рівнянь Матьє-Хілла залежать від динамічних параметрів вертикальних коливань підйомних посудин і параметрів підйомних установок.

В третьому розділі представлена математична модель, що описує динаміку підйомних посудин в провідниках армування в режимі запобіжного гальмування в шахтних підйомних установках без врівноважуючих канатів. Ця задача є окремим випадком задачі, розглянутої в другому розділі і математично описується системою рівнянь (1) при відсутності рівнянь вертикальних коливань врівноважуючих канатів.

Таким чином, в другому і третьому розділах отримано наступний результат: вперше показано, що в шахтних вертикальних стволах існують ділянки, де під час запобіжного гальмування вертикальні коливання посудин викликають зростання рівня динамічних параметрів взаємодії посудин з армуванням;

Четвертий розділ присвячений вивченню впливу динамічних параметрів взаємодії підйомних посудин з армуванням, що виникають в режимі запобіжного гальмування підйомної машини на запас міцності провідників жорсткого армування

,

,

де - максимальне контактне навантаження в робочому режимі руху; - коефіцієнт динамічного перевантаження при запобіжному гальмуванні; , - максимальні перевантаження відповідно при гальмуванні і при робочому режимі руху посудини.

Рис. 1. Залежність Vгор від

а б

Рис. 2. Залежність Vгор: а – від W; б - від Vверт

Тут наступний результат, що полягає в тому, що в умовах інтенсивного корозійного і механічного зносу армування нерівномірно розподіленого по глибині стволів, головним чинником, що визначає її працездатність в зонах параметричної нестійкості взаємодії посудин з армуванням, є максимальні динамічні навантаження на провідники з боку підйомних посудин, що виникають при запобіжному гальмуванні.

В п'ятому розділі проведений аналіз результатів чисельного моделювання динаміки системи “підйомна посудина – армування” при спрацюванні запобіжного гальма. Введено поняття “центр нестійкості”, який показує координату точки по глибині стволу з найінтенсивнішим рівнем впливу вертикальних коливань посудини на горизонтальні. Встановлена залежність швидкості росту амплітуд горизонтальних коливань посудини Vгор, положення зон нестійкості в стволі, положення “центру нестійкості” по глибині стволу від параметрів підйомної установки.

При цьому встановлено, що для канатного армування чим менше “коефіцієнт масивності” провідникового канату , тим вище буде рівень зростання горизонтальних коливань підйомної посудини (рис. 1). Результати аналогічних експериментів з дослідження залежності інтенсивності зростання амплітуд (рис. 2) горизонтальних коливань при гальмуванні в “центрі нестійкості” від величини уповільнення підйомної машини W для підйомних установок з жорстким армуванням дозволяють зробити висновок, що інтенсивність зростання амплітуд горизонтальних коливань зростає зі зростанням уповільнення підйомної машини і швидкості руху посудини по стволу Vверт. Таким чином, при гальмуванні навіть в “центрі нестійкості” за рахунок гальмування з малою величиною уповільнення підйомної машини або за рахунок малих швидкостей руху посудини по стволу можна мінімізувати горизонтальні динамічні взаємодії направляючих підйомної посудини з армуванням.

а б

Рис. 3. Положення координатної кривої на діаграмі стійкості в залежності від:

а - жорсткості направляючих посудин; б - швидкості руху посудини

Експерименти з дослідження залежності розташування координат зон нестійкості у стволі від жорсткості роликових направляючих посудини при гальмуванні показують, що чим більше значення жорсткості роликових направляючих (криві 1-5), тим ближче до вертикальної осі на діаграмі Айнса-Стретта проходить координатна крива (рис. 3, а). Через це координатна крива перетинає зони нестійкості на більш коротких ділянках. Тобто, замість перетину першої зони нестійкості (криві 1, 2) координатна крива перетинає другу і третю (криві 2-5), які є більш вузькими по глибині стволу, а коливання в них мають менший ступінь зростання при гальмуванні, ніж в першій.

Чисельні дослідження показали, що визначальними параметрами для режиму взаємодії башмаків з провідниками під час гальмування є жорсткість пружин роликових амортизаторів. Кількість і протяжність зон нестійкості по глибині стволу мають зворотну функціональну залежність від жорсткості направляючих посудини. Аналогічним чином проводилися дослідження визначення залежності розташування і ширини зон параметричної нестійкості взаємодії посудин з провідниками від вертикальної швидкості руху посудини по стволу до моменту гальмування.

а б

Рис. 4. Контактні зусилля взаємодії направляючих посудини з провідниками при гальмуванні: а –у зоні стійкості; б – у зоні нестійкості

Експерименти показали (рис. 3, б), що чим вище (криві 1-4) вертикальна швидкість руху посудини по стволу (6 -12 м/с), тим нижче на діаграмі стійкості проходить координатна крива гальмування, та перетинає зони нестійкості на більш протяжних ділянках стволу. Таким чином, кількість і протяжність зон нестійкості по глибині стволу мають пряму функціональну залежність від швидкості руху посудини по стволу до моменту гальмування.

Для жорсткого армування основним параметром, що визначає положення резо-нансних зон в стволі, є жорсткість пружинних роликових амортизаторів. Чим менше їх жорсткість, тим нижче по глибині ствола і на більшому протязі відбувається перетин координатної кривої з межами зон нестійкості на діаграмі стійкості Айнса-Стретта. Це означає, що в даних умовах в стволі знайдуться зони нестійкості з найбільшою сумарною шириною по відношенню до повної глибини стволу і вони будуть розташовані в нижній його частині (рис. 4). Враховуючи також те, що на практиці корозійний знос провідників є найбільш інтенсивним в нижній частині стволу, то збіг координат зон нестійкості з координатами ділянки з сильно зношеним армуванням стає дуже вірогідним і може привести до потенційно аварійно-небезпечної ситуації.

Чисельне моделювання показує, що при гальмуванні за межами зони нестійкості коливання є гармонійними і обмеженими по амплітуді без контактів башмаків з провідниками (рис. 4, а). На межі нестійкості відбувається наростання горизонтальних коливань посудини, що приводить до жорстких контактів башмаків з армуванням. При гальмуванні в зоні нестійкості ми бачимо інтенсивне зростання амплітуд горизонтальних коливань і появу значних контактних навантажень башмаків на провідники (рис. 4, б).

Таким чином доведено наступне наукове положення: вперше показано, що в стволі ширина зон параметричної нестійкості взаємодії посудин з армуванням і інтенсивність зростання амплітуд горизонтальних коливань при запобіжному гальмуванні в цих зонах має зворотну функціональну залежність від параметрів пружності системи “направляючий - провідник”.

Рис. 5. Осцилограма горизонтальних прикорень направляючих посудини

Рис. 6. Залежність від Кдин

В шостому розділі на основі результатів, одержаних в перших 5-ти розділах розроблений метод діагностування стану систем “підйомна посудина армування”, особливість якого полягає у додатковому (окрім робочих режимів) проведенні динамічних випробувань системи в режимі запобіжного гальмування та спеціальній математичній обробці їх результатів.

Відповідно до розробленого методу проведення діагностування складається з наступних етапів: аналіз даних підйомної установки, розрахунки параметрів зон динамічної нестійкості системи “підйомна посудина – армування”, вибір місць у стволі та умов проведення динамічних випробувань в режимі запобіжного гальмування; проведення динамічних випробувань системи в режимі запобіжного гальмування; системна обробка результатів вимірювань зносу елементів армування, динамічних випробувань взаємодії підйомної посудини з армуванням при робочому русі та у режимі запобіжного гальмування; визначення технічного стану армування на досліджених ділянках стволу та розробка висновків і рекомендацій з нагляду та ремонту армування, швидкісному та вантажопідйомному режимам роботи установки.

Розроблений метод був використаний при дослідженні динаміки скипів, клітей, противаг в стволах ВАТ “Залізорудного запорізького комбінату”.

Результати експериментальних досліджень показали, що динамічні параметри навантаження провідників при запобіжному гальмуванні на вибраних ділянках стволу у декілька разів перевищують відповідні параметри при їх проходженні підйомною посудиною у робочому режимі (рис. 5).

Для всіх циклів випробувань були розраховані коефіцієнти динамічного перевантаження Кдин, що показують у скільки разів навантаження армування при запобіжному гальмуванні посудини перевищує навантаження при її робочому проходженні даної ділянки. З цих даних виходить, що чим ближче координата гальмування посудини до “центру нестійкості”, тим вище коефіцієнт динамічного перевантаження. Він може змінюватися від 1 (в стійкій зоні) до 5..6 (в “центрі нестійкості”) для розглянутого стволу.

Розрахунок залежності запасу міцності провідників від коефіцієнта динамічного перевантаження, для цього стволу (рис. 6) показав, що через підвищений знос армування і наявність достатньо великих робочих навантажень на провідники, вже при коефіцієнті динамічного перевантаження 2,2 запас міцності провідників на вказаній ділянці може виявитися рівним або меншим допустимого значення і стати близьким до межі текучості матеріалу армування.

Даний метод апаратурного дослідження рівня динамічних параметрів взаємодії посудин з армуванням в режимі запобіжного гальмування дозволяє оцінити технічний стан системи “підйомна посудина - армування”.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій з метою підвищення безпеки експлуатації армування вертикальних стволів шахтних підйомних установок дано розв'язання актуальної наукової задачі, що полягає у встановленні залежностей динамічних параметрів взаємодії підйомних посудин з армуванням під час запобіжного гальмування від довжини головного канату, параметрів уповільнення підйомної машини, параметрів пружності систем “направляючі посудини - провідник” в шахтних підйомних установках. На основі цього розроблений новий метод діагностування систем “підйомна посудина - армування”, що полягає у проведені додаткових випробувань системи в режимі запобіжного гальмування, та встановлені залежності її динамічних параметрів від технічних параметрів шахтних підйомних установок.

Основні висновки, теоретичні і практичні результати роботи:

1. Розроблені математичні моделі динаміки взаємодії підйомних посудин з армуванням шахтних стволів в режимі гальмування і програмний комплекс “ДиАрм 2”, що їх реалізує, дозволяють: розрахувати динамічні параметри взаємодії направляючих пристроїв підйомних посудин з армуванням залежно від довжини головного каната в момент гальмування, уповільнення підйомної машини і параметрів пружності направляючих пристроїв; визначити ділянки стволу, де при взаємодії посудини з провідниками спрацювання запобіжного гальма підйомної машини може викликати зріст горизонтальних контактних навантажень на провідники ударно – вібраційного характеру, за рахунок її вертикальних коливань з реалізацією взаємодії башмаків посудини потенційно небезпечного рівня.

2. Аналіз теоретичних результатів, одержаних при реалізації розроблених математичних моделей програмним комплексом “ДиАрм 2” дозволив встановити, що при запобіжному гальмуванні посудин шахтних підйомних установок виникає вплив вертикальних коливань підйомних посудин на їх поворотні коливання навколо головних центральних осей інерції. Цей процес супроводжується збудженням інтенсивних горизонтальних коливань направляючих посудин. Інтенсивність цього процесу визначається довжиною головного канату у момент гальмування, законом гальмування підйомної машини і пружно-дисипативними параметрами ланок системи “посудина - армування”.

3. Розроблена методика проведення експериментальних досліджень взаємодії шахтних підйомних посудин (скипів, клітей, противаг) в режимі гальмування з провідниками жорсткого армування вертикальних стволів в промислових умовах дозволяє експериментально досліджувати характер динамічного навантаження провідників жорсткого армування з боку підйомної посудини залежно від параметрів уповільнення і довжини головного канату у момент гальмування посудини в стволі, визначити фактичні екстремальні рівні динамічного перевантаження армування, визначити фактичні значення параметрів жорсткості і дисипації системи для уточненого розрахунку ділянок параметричної нестійкості за глибиною стволу.

4. Проведені теоретичні і експериментальні дослідження показали, що незалежно від типу підйомної установки (барабанної одно- або двохкінцевої без врівноважуючих канатів, зі шківом тертя з врівноважуючими канатами, при жорсткому або гнучкому армуванні) по глибині стволу існують ділянки стволу (“центри нестійкості”), на яких запобіжне гальмування підйомної машини супроводжується виникненням динамічно нестійкого режиму взаємодії підйомної посудини з провідниками армування. При цьому зростання амплітуд динамічних навантажень і деформацій провідників армування жорсткого або гнучкого типів в цих зонах стволів може у 56 разів перевищувати рівень відповідних навантажень, що виникають в робочому режимі руху посудини по цих же ділянках стволу. Координати “центрів нестійкості” визначаються довжиною головного канату під час гальмування, уповільненням підйомної машини, вертикальною швидкістю руху посудини по стволу під час гальмування та параметрами пружності направляючих пристроїв посудини.

5. Теоретично вперше показано, що із зменшенням “коефіцієнту масивності” провідникових канатів підвищується рівень динамічних параметрів взаємодії підйомних посудин з армуванням.

6. Теоретично і експериментально обґрунтовано, що експлуатація пружніх амортизарів роликового типу за відсутності попереднього підтискання приводить до розширення зон параметричної нестійкості при запобіжному гальмуванні і створення підвищеного рівня навантажень на провідники на великій по довжині ділянці стволу. Зниження жорсткості роликових направляючих приводить до збільшення глибиної координати “центру нестійкості”, збільшення ширини зон параметричної нестійкості і переходу зони нестійкості в області нижньої частини стволу, що знаходиться у стані підвищеного впливу корозійного зносу провідників і розстрілів армування.

7. Теоретично і експериментально обґрунтовано, що в умовах нерівномірного корозійного і механічного зносу армування по глибині вертикальних стволів, головним чинником, що визначає її працездатність в зонах параметричної нестійкості взаємодії посудин з армуванням, є максимальні динамічні навантаження на провідники з боку підйомних посудин, що виникають в режимі запобіжного гальмування.

8. В результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблений метод діагностики системи “підйомна посудина - армування”, що знаходиться в умовах тривалої експлуатації і нерівномірно розподіленого по глибині стволу зносу армування. Особливість методу полягає в додатковому проведенні динамічних випробувань підйомної установки в екстремальний режимах роботи (крім робочих) та в подальшому спеціальному аналізі одержаних діагностичних параметрів з метою визначення її технічного стану.

9. Одержані в дисертації результати, розроблені методики і програмний модуль “ДиАрм 2”, що їх реалізує, впроваджені:

- Міністерством промислової політики України в галузевому нормативному документі ГР 3-032-2004 “Діагностика стану систем „кріплення-масив” та підйомна посудина - жорстке армування шахтних стволів. Порядок та методика виконання” (п. 6.2.6.4);

- ВАТ “ЗЖРК” при визначенні ділянок стволу, де запобіжне гальмування може викликати аварійно – небезпечне зниження запасу міцності провідників з метою забезпечення необхідного рівня безпеки експлуатації Центральної групи стволів;

- ІГТМ ім. Н.С. Полякова НАН України при розробці математичних моделей і методів розрахунку зон параметричної нестійкості динамічних систем “підйомна посудина - армування” в режимі гальмування для вертикальних стволів; при реалізації методик апаратурного контролю і оцінки динамічної взаємодії клітей і противаг стволів ГС-2 і ГС-3 з армуванням в режимі запобіжного гальмування посудин (з участю автора).

- Національним гірничим університетом в учбовому процесі використовуються розроблені в дисертаційній роботі математичні моделі і одержана залежність.

Впровадження даних матеріалів створює соціальний ефект в підвищенні безпеки експлуатації стволів, що знаходяться в умовах тривалої експлуатації металоконструкцій армування.

Основні положення дисертаційної роботи відображені у публікаціях:

1. Ільїна І.С. Моделювання параметричних коливань підйомної посудини шахтної врівноваженої установки при взаємодії з жорстким армуванням під час аварійного гальмування. // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. - №13, Т.2. – Дн-ск, 2002. – С. 118-123.

2. Ільїна І.С. Вплив аварійного гальмування на стійкість горизонтальних коливань підйомних посудин у провідниках гнучкого армування шахтних стволів // Науковий вісник НГАУ. - №2. - Дн-ск, 2003. – С. 53-56.

3. Самуся В.І., Ільїна І.С. Математичне моделювання впливу закону зміни гальмового моменту на взаємодію судин із провідниками жорсткого армування двухконцевої неврівноваженої підйомної установки. // Науковий вісник НГУ. - №7. - Дн-ск., 2003. – С. 49-53.

4. Ильина И.С. Влияние аварийного торможения сосудов шахтных подъемных установок на остаточный запас прочности проводников и расстрелов в условиях коррозионного износа армировки // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. ИГТМ НАН Укр. - 2004. - № 55. – С. 36-44.

5. Самуся В.И., Ильина И.С. Взаимодействие сосудов с жесткой армировкой при торможении шахтной многоканатной подъемной установки.// Cб. Науч. тр. НИИГМ им. М.М. Федорова: Проблемы эксплуатации оборудования шахтных стационарных установок. - № 99. – Донецк, 2004. – С. 173-183.

6. Самуся В.И., Ильина И.С. Динамическая устойчивость взаимодействия сосуда с проводниками гибкой армировки многоканатной подъемной установки в режиме торможения //Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. ИГТМ НАН Укр. - № 50. – Дн-ск, 2004. – С. 179-187.

7. Самуся В.И., Ильина И.С. Методика и проведение экспериментальных исследований взаимодействия шахтных подъемных сосудов в режиме торможения с проводниками жесткой армировки вертикальных стволов в промышленных условиях // Вісник НТУУ “КПІ”: Гірництво. №11. – К., 2004. – С. 57-64.

8. Самуся В.И., Ильина И.С. Исследование динамической устойчивости взаимодействия сосуда с проводниками гибкой армировки уравновешенной подъемной установки при аварийном торможении //Академический вестник. - №13. - Кривой Рог, 2004. – С. 66-67.

9. Самуся В.И., Ильина И.С. Расчет областей параметрического резонанса в режиме аварийного торможения в системе “сосуд - жесткая армировка” уравновешенной шахтной подъемной установки // Тезисы докладов межд. науч.-техн. конфер. „Проблемы механики горно-металлургического комплекса”. - Дн-ск, 2004. – С. 72-73.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [3] – розробка математичної моделі; [5] – розробка математичної моделі і програм-ного модуля, проведення чисельних експериментів; [6] – виведення формул, розрахунок, побудова графіків і формулювання залежності; [7] – розробка методики і проведення промислового експерименту, обробка даних експерименту і формулювання висновків; [8] - розробка математичної моделі і програмного модуля, проведення чисельних експериментів і формулювання висновків; [9] – виведення формул і розрахунок зон параметричного резонансу в системі “посудина - жорстке армування”.

Анотація

Ільїна І.С. Розробка та обґрунтування методу діагностування стану систем “підйомна посудина – армування” при запобіжному гальмуванні. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 – гірничі машини. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2005 .

Дисертація присвячена розробці методу діагностування стану системи “підйомна посудина – армування” і оцінки безпеки її роботи в режимі запобіжного гальмування.

В роботі запропонований новий метод діагностування стану систем “підйомна посудина - армування” шахтних вертикальних стволів в екстремальних режимах роботи, який полягає у проведенні додаткових динамічних випробувань системи в режимі запобіжного гальмування з подальшим аналізом одержаних діагностичних параметрів з метою визначення її технічного стану. Розроблена методика проведення динамічних випробувань системи “посудина - армування” в режимі запобіжного гальмування та обробки одержаних діагностичних параметрів взаємодії підйомних посудин з провідниками армування.

Ключові слова: вертикальний шахтний ствол, діагностика, підйомна посудина, армування, запобіжне гальмування, запас міцності, динамічні параметри.

Аннотация

Ильина И.С. Разработка и обоснование метода диагностирования состояния систем “подъемный сосуд – армировка” при предохранительном торможении. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 – горные машины. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2005.

В диссертации проведена постановка задач исследований и разработаны математические модели, описывающие динамику системы “подъемная машина – головной канат – сосуд – уравновешивающий канат” в проводниках гибкой и канатной армировок вертикальных стволов при предохранительном торможении в шахтных подъемных установках, учитывающих влияние вертикальных колебаний подъемных сосудов на их горизонтальное динамическое взаимодействие с проводниками.

На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что по глубине ствола существуют участки, на которых при срабатывании предохранительного тормоза динамические параметры вертикальных колебаний подъемных сосудов вызывают рост уровня динамического взаимодействия направляющих сосуда с проводниками.

Изложена методика расчета зон параметрической неустойчивости взаимодействия направляющих подъемных сосудов с проводниками жесткой и канатной армировок при предохранительном торможении. Разработана методика проведения динамических испытаний системы “подъемный сосуд - армировка” в режиме предохранительного торможения.

Путем проведения численных экспериментов и промышленных испытаний с использованием математических моделей, разработанных в диссертации, и методик проведения динамических испытаний системы “подъемный сосуд - армировка” были получены зависимости расположения зон параметрической неустойчивости, их ширины, определен уровень роста динамических параметров при торможении в них от параметров подъемной установки, а в частности от длины головного каната в момент торможения, замедления подъемной машины, вертикальной скорости движения сосуда по стволу и параметров упругости направляющих устройств подъемного сосуда.

Результаты исследований внедрены Министерством промышленной политики Украины - в отраслевом нормативном документе ГР 3-032-2004 “Діагностика стану систем „кріплення-масив” та підйомна посудина-жорстке армування шахтних стволів. Порядок та методика виконання” (п. 6.2.6.4). Программный комплекс “ДиАрм 2” внедрен в ЗАО “ЗЖРК” при определении зон, где предохранительное торможение может вызвать