Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Карпунова Олена Вікторівна

УДК 622.281.001.5

Обґрунтування параметрів динамічно навантажених шахтних металевих рамних копрів, що споруджуються з елементів коробчатого профілю

Спеціальність 05.15.04 – “Шахтне та підземне будівництво”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в лабораторії експлуатації, ремонту і захисту від корозії копрових і поверхневих споруд шахт ВАТ “Науково-дослідний інститут гірничої механіки ім. М.М.Федорова” (м. Донецьк) та на кафедрі будівництва і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Шашенко Олександр Миколайович,

завідувач кафедри будівництва і геомеханіки Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, доцент

Бабіюк Геннадій Васильович,

професор кафедри будівельної геотехнології і гірничих споруд Донбаського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ)

кандидат технічних наук, доцент

Бровко Дмитро Вікторович,

доцент кафедри будівельних геотехнологій Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України

Провідна установа: | Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра будівництва шахт та підземних споруд

Захист дисертації відбудеться “ 22 ” червня 2006 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ. просп. К.Маркса. 19).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ. просп. К.Маркса. 19).

Автореферат розісланий “ 17 ” травня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.В.Солодянкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсифікація видобутку вугілля на шахтах України, що передбачена програмою розвитку вугільної промисловості до 2010 року, пов'язана зі збільшенням навантаження на устаткування і споруди шахтних стаціонарних установок, більшість з яких в даний час відпрацювала свій нормативний термін. За результатами експертної оцінки технічного стану металевих копрових споруд на діючих вугільних підприємствах 50 % копрів, які відпрацювали 40 і більше років, потребують виконання ремонтно-відновлювальних робіт, а близько 30 % - дорогої заміни.

Розробка конструкцій високоміцних й високонавантажених металевих копрів пов'язана також з необхідністю поглиблення стволів, заміною підіймальних машин на більш продуктивні, з розробкою нових сучасних схем підйому і т.і. У зв'язку з цим встановлення закономірностей зміни міцності копрів з елементів коробчатих профілів в умовах підвищених статичних і динамічних навантажень і вдосконалення на цій підставі їх конструкцій є актуальною науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації пов'язана з науковим напрямом роботи лабораторії експлуатації, ремонту і захисту від корозії копрових і поверхневих споруд шахт Науково-дослідного інституту гірничої механіки ім. М.М.Федорова: в рамках головної теми “Програма підвищення безпеки праці на вугільних шахтах” виконується робота № 07150402010 “Розробка й забезпечення застосування методики оцінки працездатності металевих конструкцій шахтних копрів за результатами обстеження та випробування їх динамічних навантажень”.

Мета дослідження – створити нову науково обґрунтовану типову конструкцію металевих рамних копрів з коробчатих профілів шляхом вибору раціональних параметрів їх конструктивних елементів і зниження динамічних навантажень при зовнішній дії, що забезпечують надійну і безпечну роботу шахтного підіймального комплексу.

Для досягнення вказаної мети в дисертації поставлені наступні задачі дослідження:

- дати наукове обґрунтування доцільності розробки і визначити область застосування рамних копрів коробчатої конструкції для шахтного підйому;

- розробити і обґрунтувати компонувальні і схемні рішення для конструктивних елементів рамних копрів коробчатої конструкції;

- розробити математичну модель динамічного стану копра при дії на нього характерних зовнішніх навантажень, що обумовлені експлуатаційними і екстреними режимами роботи підіймального комплексу;

- провести експериментальні дослідження на рамному копрі коробчатої конструкції діючої підіймальної установки з метою підтвердження ідеї роботи і перевірки теоретичних результатів.

Об'єкт дослідження – рамні копри коробчатої конструкції, що розглядаються як системи пружно пов'язаних між собою дискретних і розподілених мас, які працюють в умовах екстремальних режимів роботи підіймальної установки.

Предмет дослідження – динамічні процеси і конструктивні параметри рамних металевих шахтних копрів коробчатої конструкції.

Ідея дисертаційної роботи полягає в урахуванні впливу подовжніх коливань рамних копрів коробчатої конструкції при дії на них характерних зовнішніх навантажень, що обумовлені експлуатаційними і екстреними режимами роботи підіймального комплексу на основі математичного моделювання динамічних станів станкової частини металевого копра.

Методи досліджень, що використані в дисертаційній роботі: системний аналіз сучасного стану і фактичних даних інформаційних матеріалів і проектних рішень; методи аналітичної і диференціальної геометрії, методи теоретичної механіки, методи комп'ютерного математичного моделювання для побудови геометричних схем копрових споруд; методи рішення рівнянь в кінцевих різницях, методи динаміки складних систем з розподіленими і зосередженими параметрами для оцінки парціальної кінетичної енергії дискретних мас; експериментальна перевірка результатів теоретичних досліджень на діючих підіймальних установках з металевими копровими спорудами.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

1. Частоти коливань копрів знаходяться в незмінних областях, які не перетинаються, де щільність дискретного спектру залежить від кількості вузлових елементів конструкції, при цьому в межах кожної з областей існує одна превалююча частота, при якій елементи копра мають найбільшу парціальну кінетичну енергію, що дозволяє на цій основі проектувати їх сучасні конструкції.

2. Динамічні деформації і напруження в елементах копра, що обумовлюються статичними і динамічними характеристиками зовнішніх навантажень, визначаються отриманими в роботі функціоналами для режимів навантаження, які найчастіше зустрічаються, що дозволяє використовувати отримані залежності і моделі при розрахунку несучих елементів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

1. Вперше динамічний і напружений стан металоконструкції копра описано багатозв'язковою системою диференціальних рівнянь в частинних похідних, рішення якої наведене як розкладання за властивими формами коливань коректної граничної задачі.

2. Вперше стосовно динаміки копрів введене поняття динамічної жорсткості багатопрогінної конструкції, що дозволяє значно спростити задачу визначення спектру власних коливань копра.

3. Вперше запропоновано спосіб вибіркового обчислення частот, що дозволило у разі однорідної стрижневої системи задачу побудови системи властивих функцій звести до рівнянь в кінцевих різницях, а частотне рівняння – до трансцендентного рівняння в наявній формі.

4. Виведено рівняння динамічного стану копрової споруди при роботі підіймальної установки в різних режимах навантаження, визначені функціональні зв'язки між різним динамічним станом копрової споруди.

5. Виконані експериментальні дослідження на діючих копрових спорудах за визначенням амплітудно-частотних характеристик конструкцій копрів, виготовлених із різних конструктивних елементів при робочих і екстрених режимах роботи підіймальної установки.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові результати отримані на основі фундаментальних методів теоретичної механіки, аналітичної і диференціальної геометрії і забезпечують використання загальноприйнятих аналітичних методів досліджень, позитивні результати багаторічного практичного використання методики розрахунку металевих укісних копрів при їх проектуванні, а також задовільну збіжність результатів математичного моделювання і експериментальних досліджень, виконаних на діючих копрових спорудах з розбіжністю порівнюваних параметрів до 20%.

Наукове значення роботи полягає у побудові коректних аналітичних рішень системи рівнянь, що описують динамічні стани металевих рамних копрів при дії на них різного характеру зовнішніх навантажень; у встановленні залежності форми перетину основних несучих елементів конструкції металевого копра і компонування його вузлів від геометричних параметрів підйому, величини статичних і динамічних навантажень.

Практичне значення отриманих результатів полягає в створенні нової конструкції високонавантажених металевих рамних копрів із коробчатих профілів шляхом вибору раціональних параметрів їх конструктивних елементів і зниження вібрації при зовнішній дії, які забезпечують надійну і безпечну роботу шахтного підіймального комплексу, як при виконанні прохідницьких робіт, так і при подальшій його експлуатації.

Реалізація результатів дослідження. Результати роботи використані при проектуванні рамних металевих укісних копрів коробчатої конструкції для шахт “Добропільська” ДП “Добропіллявугілля” і шахти ім. Н.П. Баракова ДП “Краснодонвугілля”, а також при обстеженні і оцінці технічного стану шахтних металевих копрових споруд і розробці рекомендацій щодо їхньої подальшої безпечної експлуатації.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто поставлена і вирішена задача раціоналізації проектних параметрів металевих конструкцій високонавантажених шахтних копрів; побудовано математичні моделі взаємодії елементів металевих шахтних копрів і елементів підіймальної установки; доведена адекватність математичних моделей; розроблено методичні рекомендації щодо вибору раціональних параметрів металевих конструкцій копрів, що забезпечують зниження вібраційної активності підіймального комплексу при екстремальних режимах роботи підйому; сформульовані основні наукові положення.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації доповідалися на научно-технічній конференції, присвяченій 75-річчю НДІГМ ім. М.М.Федорова (Донецьк, 2004 р..); науково-практичній конференції “Шляхи підвищення безпеки гірничих робіт у вугільній галузі” (Макіївка, МакНДІ, 2004 р.), Міжнародному енергетичному форумі “Вугілля СНД” (Крим, Ялта, 2004 р.); на Міжнародній конференції “Форумі гірників” (Дніпропетровськ, 2005 р.); на тематичних наукових семінарах і Вченій раді НДІГМ ім. М.М.Федорова (2003-2005 р.р.).

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 12 наукових працях, у тому числі 7 статей у спеціалізованих фахових виданнях і 4 статі – у збірниках наукових конференцій і 1 патент.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел з 86 найменувань на 9 стор., трьох додатків на стор. 7. Робота викладена на 100 сторінках машинописного тексту і містить 34 рис., 13 таблиць. Загальний обсяг дисертації – 134 сторінок.

Основний зміст роботи

Питаннями становлення теорії динамічної взаємодії елементів шахтного підіймального комплексу, що визначають навантаження на копрову споруду, займалися видатні учені у галузі гірничої механіки: М.М. Федоров, А.С. Локшин, О. М. Дінник, Н.Р. Савін, Ф.У. Флорінський, І.М. Балкарей, В.І. Дворніков, М.Ф. Глушко, Б.Л. Давидов, Я.У. Бровман, Р.Л. Розенбліт, М.Г. Гаркуша, В.Д. Білий, В.Н. Потураєв, М.Г. Картавий, О.О. Ткач та ін.

Один з ефективних шляхів вдосконалення шахтних металевих копрів полягає в створенні нових високонавантажених рамних копрів коробчатої конструкції шляхом вибору оптимальних параметрів їх конструктивних елементів і зниження вібраційної активності зовнішніх навантажень. Для забезпечення надійної і безпечної роботи шахтного підіймального комплексу, як при виконанні прохідницьких робіт, так і при подальшій його експлуатації необхідно дослідити, обґрунтувати і розробити компонувальні і схемні рішення конструктивних елементів рамних копрів коробчатої конструкції; розробити математичну модель динамічного стану копра при дії на нього характерних зовнішніх навантажень, обумовлених експлуатаційними і екстреними режимами роботи підіймального комплексу.

У другому розділі надано обґрунтування вибору раціональних параметрів конструктивних елементів рамних копрів коробчатого типу.

У роботі наведені розрахункові залежності для визначення геометричних характеристик поперечних перерізів елементів рамного копра з коробчатих профілів і супутніх при цьому інших комбінованих профілів. З використанням виведених залежностей отримані чисельні значення для площ поперечних перерізів, моментів інерції при крученні, моментів інерції відносно центральних осей і моментів опору відносно центральних осей. За наслідками обчислень побудовані залежності вказаних геометричних параметрів поперечних перерізів від погонної їх маси для коробчатих профілів поперечних перерізів, для відкритих коробчатих профілів, відкритих коробчатих профілів, що підсилені прокатними куточками, для двотаврових профілів, для комбінованих прокатних профілів і для циліндрових (рис. 1, 2).

Рис.1. Моменти інерції поперечного перерізу елементу, Jкр, Jx, Jy, см4Ч103

Рис. 2. Моменти опору поперечного перетину елементу Wx, Wy, см4Ч102: 1 – переріз закритого коробчатого профілю ; 2– переріз відкритого коробчатого профілю (П-образного) ; 3– переріз відкритого коробчатого профілю, посиленого кутовими профілями ; 4– переріз двотаврового профілю ; 5– комбінований переріз з прокатних профілів; 6– переріз циліндрового профілю .

Вибір конструктивних параметрів металевого копра засновано на виконанні перевірочних розрахунків на міцність за критерієм допустимих напружень в його елементах.

У третьому розділі розглядається математична модель динаміки рамних копрів коробчатої конструкції. Розрахункова схема основного елемента такого копра – стояка – наведена на рис. 3.

Рис. 3. Розрахункова схема стояка

(шпангоута).

Рівняння динамічного стану стрижня відносно його подовжніх переміщень на будь-якому ому прогоні, записуються у вигляді хвильових рівнянь

, (1)

де – функція подовжніх переміщень точок шпангоута на даному інтервалі.

Граничними умовами для рівнянь є умови безперервності переміщень в точках і умови динамічної рівноваги зосереджених мас при , у формі рівнянь Даламбера. Рішення вказаної граничної задачі будується у вигляді розкладань.

Діаграми областей властивих чисел , залежно від параметра при двох значеннях і при , наведені на рис. 4.

Отримані діаграми дають виразне уявлення про тенденцію властивих чисел до утворення відособлених частотних груп по чисел в кожній, причому ці групи на площині розташовуються в областях, що принципово не перекриваються.

Рис. 4. Області існування власних чисел при

Динамічні зусилля в перерізах із координатами і на кожному з просвітів записуються як

де - динамічні жорсткості елементів.

Досліджені характерні, а також такі, що часто зустрічаються, варіанти зовнішніх навантажень, які обумовлюють динамічний стан копра в експлуатаційних і екстрених станах.

Імпульсна дія. Одним з важливих для технічних прикладних задач є випадок докладання до оголовку копра в довільний момент часу імпульсного навантаження, коли

, (3)

де – імпульс зовнішньої сили; – імпульсна функція Дірака (розмірність її – ), яка при всіх рівна нулю за винятком точки , в якій вона

спрямовується до нескінченності.

Для координатних функцій маємо наступний вираз:

, (4)

що дає можливість у результаті отримати вирази для зусиль у верхньому і нижньому перерізах шпангоута

(5)

де для , сили, що має розмірність, і безрозмірного часу прийняті наступні позначення: .

На рис. 5 зображені безрозмірні зусилля у функції безрозмірного часу (виносні цифри 0 і 1 на графіках відповідають і ), обчислені як приклад для при (зосереджені маси дорівнюють половині маси стрижня одного прогону).

Раптове докладання постійної сили. Випадок раптового докладання до оголовку копра в довільний момент часу постійного навантаження обумовлює вираз для зовнішньої сили у формі

, (6)

де – одинична функція Хевісайда.

Формула (6) призводить до наступних виразів для координатних функцій:

, (7)

і тоді за аналогією з (2) маємо:

(8)

де для прийняте позначення . Результати обчислень за формулами (8) наведені на рис. 6.

Гармонійне збудження. Такого типу навантаження безперервно виникають при експлуатації підіймальної установки, як в стаціонарному режимі руху, так і в різних нестаціонарних станах, наприклад, у разі запобіжного гальмування машини. Для спрощення приймемо, що

, (9)

де – амплітуда сили, – частота гармонійного збудження.

Тоді для координатних функцій маємо ():

(10)

і тоді по аналогії з (8) отримаємо:

(11)

де для прийняте позначення: .

На рис. 7 зображено графіки змін динамічних зусиль у стояку при гармонійному збудженні.

У розділі 4 викладені результати експериментальних досліджень динаміки копрової споруди виконано на діючій металевій конструкції шахтного копра, виготовленого з гратчастих профілів, до заміни його на рамний копер коробчатої конструкції і на діючій конструкції копра після його заміни на шахті “Добропільська”.

Мета експериментальних досліджень, що проводились, полягала в якісному зіставленні динамічних перехідних процесів на діючому об'єкті і теоретичній моделі, зіставленні отриманих результатів. Експериментальні дослідження передбачали реєстрацію і співставлення динамічних процесів в металевих конструкціях копрів при робочих і екстремальних режимах роботи підіймальної установки.

Рис. 5. Динамічні процеси при імпульсному збуренні і за наявності зосереджених мас у вузлах

Рис. 6. Динамічні процеси при раптовому докладанні постійного навантаження

Рис. 7. Динамічні процеси при гармонійному збудженні

Рис. 8. Осцилограма коливальних процесів металевого копра скіпового підйому

стволу № 1 шахти “Добропільська” у робочому режимі

гальмування підіймальної установки

Під час запобіжного гальмування підіймальні посудини, які рухаються, створюють ударний імпульс з амплітудою А1, під дією якого металоконструкція копра починає коливатися з власною частотою fк=2,5 Гц. Після закінчення 10-12 с коливання затухають, як і під час робочого гальмування.

На окремих ділянках віброграми амплітуди коливань згладжуються при взаємному накладенні. Основна частота вібрації в обох експериментах складає 4,5 Гц.

Рис. 9. Осцилограма коливальних процесів металевого копра нової конструкції скіпового стволу № 1 у запобіжному режимі гальмування

Рис. 10. Осцилограма коливальних процесів металевого копра нової конструкції скіпового підйому стовбура №1 у запобіжному режимі гальмування підіймальної установки шахти “Добропільска”.

На осцилограмах додатково нанесено графік, що отриманий при моделюванні процесу запобіжного гальмування. Співставлення експериментальних і теоретичних кривих показує, що відхилення по амплітудах не перевищують 12%, а відхилення за періодом коливань – не більш 4%.

ВИСНОВОК

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі вперше встановлених закономірностей зміни характеристик основних несучих елементів конструкції металевого копра від різного характеру зовнішніх навантажень та геометричних параметрів підйому, вирішена актуальна науковотехнічна задача обґрунтування параметрів динамічно навантажених шахтних рамних копрів з елементів коробчатого профілю, що забезпечує надійну і безпечну роботу шахтного підіймального комплексу.

Основні наукові результати, висновки і рекомендації:

1. Динамічний і напружений стан металоконструкції копра описано багатозв'язковою системою диференціальних рівнянь в частинних похідних, рішення якої представлено як розкладання за властивими формами коливань коректної граничної задачі.

2. Введено поняття динамічної жорсткості багатопросвітної конструкції копра, що дозволяє значно спростити задачу визначення спектру власних коливань копра. У разі однорідної стрижньової системи задача побудови системи власних функцій зводиться до рівнянь в кінцевих різницях, а частотне рівняння – до трансцендентного рівняння в наявній формі. Запропонований спосіб вибіркового обчислення частот явно виключає обчислювальні помилки при великій кількості просвітів.

3. Властиві частоти мають тенденцію до утворення відокремлених частотних груп, що розташовуються в областях, що принципово не перекриваються. Факт наявності в даній системі превалюючих частот свідчить про те, що шпангоути копра у вузлових точках мають найбільшу парціальну кінетичну “енергоємність” саме на цих частотах. Ця обставина має важливу роль для побудови наближених методів вивчення динамічних станів копрів, що може стати предметом подальших досліджень.

4. Розроблена математична модель навантаження копрової споруди дозволяє з високою достовірністю проводити дослідження динаміки копрової споруди при різних режимах роботи підіймального комплексу, що в свою чергу дозволяє проектувати копрові споруди з раціональними конструктивними параметрами.

5. Наведені методичні рекомендації з вибору раціональних параметрів металевих конструкцій шахтних копрів дозволяють максимально скоротити витрату металу без зниження рівня надійної і безпечної експлуатації рамних копрів з коробчатих профілів.

6. Експериментальні дослідження виконані на діючих копрових спорудах: спочатку на копрі, виготовленому з традиційних профілів, і після заміни його на нову конструкцію, виготовлену з коробчатих профілів. Аналіз отриманих результатів експериментальних досліджень підтверджує наступне:

- як при робочих режимах роботи підіймальної установки, так і під час запобіжного гальмування властиві частоти станкової частини копра створюють відокремлені групи;

- через певний проміжок часу властиві частоти затухають через високу демпфуючу здатність самої копрової споруди;

- вторинна хвиля, яка виявляється, через певний проміжок часу, проходить, як правило, в протифазі і сприяє швидкому загасанню основної частоти;

- отримана висока збіжність результатів теоретичних і експериментальних досліджень; відхилення теоретичних значень динамічних змінних від експериментальних складають не більш 12% по амплітудах і не більш 6% по періоду коливань.

7. Згідно з розробленими методичними рекомендаціями, наведеними в дисертації, спроектовані і виготовлені високонавантажені металеві копри для шахт “Добропільська” і ім. М.П. Баракова. На шахті “Добропільська” копер введено до експлуатації в травні 2003 року, а на шахті ім. М.П. Баракова - у вересні 2005 року.

8. Запропоновані в роботі конструкції високонавантажених металевих копрових споруд захищені патентом НДІГМ ім. М.М.Федорова, відрізняються тим, що конструктивно виготовлені з коробчатих профілів і можуть використовуватися як при будівництві шахтних стволів, так і при подальшій експлуатації підіймального комплексу.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Грядущий Б.А., Дворников В.И., Кудрейко Н.А., Карпунова Е.В. О продольных колебаниях высоконагруженных шахтных копров // Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк: ИФГП. – 2004. – Вып . – С. 243 – 255.

2. Грядущий Б. А., Дворников В.И., Кудрейко Н.А., Карпунова Е.В. Спектры собственных продольных колебаний высоконагруженных шахтных копров // Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок. Донецк: НИИГМ им. М.М.Федорова. – 2004. – Вып. 99. С. 143 – 157.

3. Кудрейко Н.А., Гладчук А.П., Карпунова Е.В. Основные направления повышения безопасной эксплуатации копровых сооружений на предприятиях угольной промышленности // Уголь Украины. – 2004. - №4. – с 41 – 44.

4. Карпунова Е.В. Выбор конструктивных параметров металлических копровых сооружений. // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. – Макеевка: МакНИИ. – 2005. – С. 157-164.

5. Грядущий Б.А., Дворников В.И., Кудрейко Н.А., Карпунова Е.В. Динамическое состояние шахтных копров при гармоническом воздействии внешних нагрузок // Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок. – Донецк: НИИГМ имени М.М. Федорова. – 2005. – С.45-52.

6. Карпунова Е.В. Матаматическая модель динамического состояния высоконагруженных шахтных копров // Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк: ИФГП. – 2005. – Вып.8. – С134-137.

7. Грядущий Б.А., Дворников В.И., Кудрейко Н.А., Карпунова Е.В. Динамическое состояние шахтных копров при внезапном приложении постоянной нагрузки // Научные труды Донецкого национального технического университета. – Донецк: ДонНТУ – 2005. – С. 47-54.

8. Патент 74094 Украина, МПК 7 Е 04 Н 12/26. Металлический шахтный копер: Кудрейко Н.А., Пиличев К. А., Кладов В.М., Ковалев Д.А., Карпунова Е.В. – Заявл 07.04.2004. Опубл. 17.10.2005. Бюл. №10.

9. Карпунова Е.В. Конструктивные особенности шахтных металлических копров из коробчатых профилей // Материалы научно-технической конференции. Проблемы эксплуатации оборудования шахтных стационарных установок. – Донецк: НИИГМ им. М.М.Федорова. – 2004. – Вып. 98. С. 180 – 183.

10. Карпунова Е.В. Повышение безопасности эксплуатации современных конструкций металлических копровых сооружений // Тезисы докладов научно-практической конференции “Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли”. – Макеевка: МакНИИ. – 2004. – С. 471-473.

11. Дворников В.И., Кудрейко Н.А., Карпунова Е.В. Динамическое состояние высоконагруженных шахтных копров // Материалы международной конференции “Форум горняков” – 2005”. – Днепропетровск: НГУ. – 2005. – С. 75-80.

Анотація

Карпунова Е.В. Обгрунтування параметрів динамічних навантажень шахтних металевих рамних копрів, споруджених з елементів коробчатих профілів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом - 05.15.04 “Шахтне і підземне будівництво”. – Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, Дніпропетровськ, 2006.

Проектування нових високонавантажених металевих рамних копрів коробчатої конструкції виконується з врахуванням не тільки різноманітності умов їх експлуатації, навантажень і дій, але з використанням сучасних методів розрахунків і проектування, що забезпечує оптимальні конструктивні параметри металевих конструкцій копра з урахуванням характеру і величини динамічних навантажень, що виникають в екстремальних режимах роботи шахтного підйому.

У роботі обґрунтована розрахункова схема копра, виведені диференціальні рівняння динамічного стану станкової частини копра, представленої у вигляді жорстких взаємозв'язаних стрижнів і зосереджених мас, під дією зовнішніх навантажень у вигляді імпульсної дії, раптового докладання постійної сили і при гармонійному збудженні.

Введено поняття динамічної жорсткості багатопрогінної конструкції копра, що дозволило значно спростити задачу визначення спектру власних коливань копра. У разі однорідної стрижневої системи задача побудови системи власних функцій зводиться до рівнянь в кінцевих різницях, а частотне рівняння – до трансцендентного рівняння в явній формі. Запропонований спосіб вибіркового обчислення частот явно виключає обчислювальні помилки при великій кількості просвітів.

Результати досліджень реалізовані при проектуванні рамних копрів коробчатої конструкції, які виготовлені за проектами НДІГМ імені М.М.Федорова і змонтовані на стовбурах скіпових підйомів шахти “Добропільська” ДП “Добропіллявугілля” і шахти ім.. М.П. Баракова ДП “Краснодонвугілля” й успішно експлуатуються.

Ключові слова: шахта, підйомна установка, копер, рамний копер, коробчаті профілі, навантаження, запобіжне гальмування, динамічний стан, диференціальне рівнення, осцилограма.

Аннотация

Карпунова Е.В. Обоснование параметров динамических нагрузок шахтных металлических рамных копров, сооруженных из элементов коробчатых профилей. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности - 05.15.04 “Шахтное и подземное строительство”. Национальный горный университет Министерства образования и науки Украины, Днепропетровск, 2006.

Проектирование новых высоконагруженных металлических рамных копров коробчатой конструкции выполняется с учетом не только разнообразия условий их эксплуатации, нагрузок и воздействий, но с использованием современных методов расчетов и проектирования, обеспечивающих оптимальные конструктивные параметры металлических конструкций копра с учетом характера и величины динамических нагрузок, возникающих в экстремальных режимах работы шахтного подъема.

В работе обоснована расчетная схема копра, выведены дифференциальные уравнения динамического состояния станковой части копра, представленной в виде жестких взаимосвязанных стержней и сосредоточенных масс, под действием внешних нагрузок в виде импульсного воздействия, внезапного приложения постоянной силы и при гармоническом возбуждении.

Введено понятие динамической жесткости многопролетной конструкции копра, что позволило значительно упростить задачу определения спектра собственных колебаний копра. В случае однородной стержневой системы задача построения системы собственных функций сводится к уравнениям в конечных разностях, а частотное уравнение – к трансцендентному уравнению в явной форме. Предложенный способ избирательного вычисления частот заведомо исключает вычислительные ошибки при большом числе пролетов.

Собственные частоты обнаруживают тенденцию к образованию обособленных частотных групп, располагаемых в принципиально неперекрывающихся областях. Факт наличия в рассматриваемой системе превалирующих частот свидетельствует о том, что шпангоуты копра в узловых точках обладают наибольшей парциальной кинетической “энергоемкостью” именно на этих частотах. Это обстоятельство играет важную роль для построения приближенных методов изучения динамических состояний копров, что может стать предметом дальнейших исследований.

Результаты исследований реализованы при проектировании рамных копров коробчатой конструкции, которые изготовлены по проектам НИИГМ имени М.М.Федорова и смонтированы на стволах скиповых подъемов шахты “Добропольская” ГП “Добропольеуголь” и шахты имени Н.П. Баракова ГП “Краснодонуголь” и успешно эксплуатируются.

Сопоставимость теоретических и экспериментальных результатов производилась на основании сравнения частот колебаний, максимальных напряжений (перемещений) и качественной картины динамических состояний. Установленное удовлетворительное соответствие этих факторов является достаточным для вывода о достоверности (верификации) математической модели.

Ключевые слова: шахта, подъемная установка, копер, рамный копер, коробчатые профили, нагрузки, предохранительное торможение, динамическое состояние, дифференциальные уравнения, осциллограммы.

Annotation

Karpunova Ye.V. Ground of parameters of the dynamic loadings of mine metallic frame headgears, constructed of the elements of channel sections.

Dissertation on obtaining scientific degree of candidate of technical Science. Specialiaty 05.15.04 – “mine and underground construction”. National Mining University of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2006.

The designing of the new high-rate metallic frame headgears of а box-shaped construction is carried out both taking into account the variety of its exploitation conditions, loads and effects and using the modern methods of calculations and designing, that assures optimal constructive characteristics of the metallic headgear constructions regarding the nature and size of dynamic loads, which appear during the extreme regime of а mine lifting functioning.

There is а ground for design model of the headgear in the work. The work also contains derived differential equations of а dynamic state of the lathe part of the headgear which is presented in the form of tough interrelated cores and lumped masses under the influence of the external loads by way of pulsed impact, sudden application of the constant force and during the harmonic excitation.

The proper frequencies show the tendency to the formation of isolated frequency groups, arranged in the fundamentally non-covering areas. The fact of the dominant frequencies presence in the considered scheme is the evidence of the fact, that the timbers of the headgear in the node points possess the most substantial partial kinetic energy output exactly on these frequencies. This fact plays an important role for constructing of the approximate methods for studying of dynamic states of headgears and can later be а subject for further researches.

The results of the researches are realised during the designing of the framed headgears of а box-shaped construction, which are produced according to the schemes of M.M. Fedorov MMRI and assembled on the skip hoisting shafts of the “Dobropolskaya” mine of the “Dobropol`e ugol” NE and N.P. Barakov mine of the “Krasnodonugol” NE and are successfully exploited.