ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Кущенко Володимир Миколайович

УДК 624.014:624.96.042:622

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ БЕЗПЕКИ будівельних КОНСТРУКЦІЙ

УКІСНИХ ШАХТНИХ КОПРІВ

05.23.01- будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Макіївка – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: | доктор технічних наук, професор Горохов Євген Васильович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри металевих конструкцій

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор Кулябко Володимир Васильович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, професор кафедри металевих, дерев'яних і пластмасових конструкцій;

доктор технічних наук, професор Єрмак Євген Михайлович, Українська державна академія залізничного транспорту, (м. Харків), професор кафедри будівельних матеріалів, конструкцій та споруд;

доктор технічних наук, доцент Семко Олександр Володимирович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, професор кафедри конструкцій з металу, дерева та пластмас.

Захист відбудеться “20” грудня 2007р. о 10:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, I учбовий корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (Україна, 86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2.)

Автореферат розісланий “19” листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М. М. Зайченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На підприємствах гірничодобувної промисловості України експлуатується близько ста тисяч тон сталевих конструкцій укісних шахтних копрів. Укісні копри є найвідповідальнішими спорудами шахтної поверхні, оскільки вони забезпечують вертикальний транспорт і пов'язані з системами вентиляції і безпеки підйому. Будівельні конструкції споруд шахтної поверхні знаходяться в складних умовах експлуатації, які характеризуються дією сильно агресивних корозійних середовищ, а також дією вібраційних і ударних навантажень. Середній термін експлуатації цих споруд на шахтах України становить 35-40 років. У зв'язку з цим спостерігаються часті аварії, що викликані руйнуванням будівельних конструкцій. Основними причинами руйнувань є недосконалість норм проектування і фізичний знос будівельних конструкцій. Можливі руйнування конструкцій шахтних копрів створюють катастрофічні загрози, у зв'язку з цим існує проблема забезпечення їхньої безпеки.

На сьогодні є актуальними задачі реконструкції копрів у зв'язку зі зміною технічних характеристик шахтних підйомних установок і повторним використанням споруд із шахт, що закриваються, які так само мають аспект забезпечення безпеки. При реконструкції, як правило, відбувається збільшення навантажень на конструкції копрів. У зв'язку з цим, для обґрунтування можливості використання існуючих споруд необхідна методика розрахунку будівельних конструкцій, що враховує їх дійсну роботу в нових умовах експлуатації.

Забезпечення безпеки будівельних конструкцій укісних копрів, можливо шляхом: застосування уточнених інженерних методик розрахунку; введення конструктивних обмежень у зв'язку з динамічним характером навантажень; впровадження ефективних конструктивних форм, стійких по відношенню до експлуатаційних агресивних дій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає пріоритетним напрямкам науково-технічної політики України в області підвищення надійності основних фондів промислових підприємств, відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України № 409 від 05 травня 1997 р. “Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд та інженерних мереж”, Розпорядження Кабінету Міністрів України від 11 червня 2003 р. № 351-р “Про схвалення Концепції Державної програми забезпечення технологічної безпеки в основних галузях економіки”. Робота виконувалася відповідно до держбюджетної теми: “Удосконалення конструктивних форм і уточнення методів розрахунку металевих конструкцій шахтних копрів” (державний реєстраційний № 0101U004769), автор був керівником роботи. Дослідно-конструкторські розробки і впровадження результатів дослідження здійснюються відповідно до госпдоговірних робіт, що виконуються в спеціалізованому науково-виробничому центрі “Надшахтні споруди” при ДонНАБА.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є забезпечення безпеки будівельних конструкцій шахтних копрів на підставі системного аналізу взаємодії споруди із механічною системою шахтної підйомної установки та з агресивними складовими експлуатаційного середовища.

Поставлена мета досягається вирішенням таких задач: аналіз джерел ризику та визначення технологічних загроз при аваріях конструкцій шахтних копрів; визначення умов виникнення резонансних явищ у механічній системі “підйомні посудини – канати – напрямні шківи – конструкції шахтного копра”; визначення амплітуд динамічних зусиль у підйомних канатах на основі статистичного аналізу експериментальних даних; проведення динамічних випробувань конструкцій шахтних копрів й узагальнення їх результатів та встановлення емпіричних закономірностей динамічного поводження конструкцій копрів при роботі шахтної підйомної установки; розробка методики визначення навантажень від підйомних канатів з урахуванням динамічної складової від вимушених коливань підйомних посудин і канатів в залежності від технологічних ознак шахтних копрів; експериментально-теоретичне обґрунтування і створення розрахункової моделі механічної системи, що включає: конструкції копра, напрямні шківи, підйомні канати, підйомну машину; математичне моделювання аварійних навантажень від затискання посудини, що піднімається і факторний аналіз залежності їхніх екстремальних значень від умов аварійної ситуації, технічних характеристик підйомних машин і динамічних характеристик конструкцій шахтних копрів; установлення залежності параметрів екстремальних особливих навантажень, залежно від технічних характеристик шахтних підйомних установок; розробка методики визначення екстремальних аварійних навантажень від технічних характеристик шахтних підйомних установок; класифікація небезпечних станів і аналіз пошкоджуваності різних конструктивних форм на підставі узагальнення даних обстеження об'єктів, що експлуатуються; розробка системи інженерно-технічних заходів по забезпеченню безпеки об'єктів, що експлуатуються; визначення принципів утворення раціональних конструктивних форм при посилені, реконструкції й новому проектуванні конструкцій шахтних копрів.

Об'єкт дослідження – будівельні конструкції укісних копрів, шахтних підйомних установок, обладнаних підйомними машинами барабанного типу.

Предметом дослідження є: динамічна взаємодія будівельних конструкцій шахтних копрів з шахтними підйомними машинами при навантаженнях нормальної експлуатації, а також при аварійному затисканні посудин, що піднімаються, та процеси старіння конструкцій шахтних копрів у зв'язку з агресивними діями експлуатаційних середовищ.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень покладені методи класичної механіки. Експериментальні методи використовувалися при дослідженні динамічного поводження конструкцій. При обробці даних експериментальних досліджень використовувалися методи математичної статистики і гармонійного аналізу.

Наукову новизну одержаних результатів складають: а) постановка проблеми забезпечення безпеки конструкцій укісних шахтних копрів на основі системного представлення динамічної взаємодії об'єкта дослідження з підйомною машиною й агресивними складовими експлуатаційного середовища; б) узагальнені теоретичні та експериментальні дані про характер динамічної взаємодії конструкцій укісних шахтних копрів з підйомними машинами (коефіцієнти динамічності по внутрішніх зусиллях, спектри власних частот, значення логарифмічного декременту затухання; амплітудно-частотні характеристики вимушених коливань, параметри динамічних напружень), які дозволили обґрунтувати уточнену методику визначення навантажень від підйомних канатів, а також визначити конструктивні обмеження у зв’язку з динамічним характером навантажень; в) розрахункова модель конструкцій шахтного копра яка включає – напрямні шківи, канати, посудини, механізм підйомної машини, - для математичного моделювання динамічного поводження указаної системи, яка відрізняється від раніше відомих можливістю моделювання екстремальних аварійних навантажень; г) емпіричні закономірності залежності параметрів екстремальних особливих навантажень від умов аварійних ситуацій, для характерних типорозмірів підйомних машин; д) метод визначення параметрів екстремальних особливих навантажень (амплітуда, тривалість і форма імпульсів у гілках підйомного каната) залежно від технічних характеристик підйомної установки, заснований на принципі визначення критичної довжини затиснутої гілки підйомного каната при заданій швидкості підйому; е) узагальнені й систематизовані дані обстеження шахтних копрів, що експлуатуються (основні стадії фізичного зносу, ресурс конструктивних частин, класифікація небезпечних станів); д) система забезпечення безпеки конструкцій копрів яка містить - контроль технічного стану, методику обмеження режимів експлуатації, ефективні способи посилення і захисту конструкцій, рекомендації по вибору раціональних конструктивних форм, - принципова новизна якої полягає в управлінні процесами взаємодії споруди з механізмом підйомної машини і з агресивними складовими експлуатаційних середовищ, як засобу забезпечення безпеки.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблений автором метод визначення екстремальних значень особливих навантажень і уточнена методика визначення навантажень від робочих натягнень підйомних канатів підвищує достовірність розрахунків конструкцій шахтних копрів при проектуванні та технічній діагностиці, а також дозволяє створювати раціональні конструктивні форми цих споруд. Установлені емпіричні закономірності динамічної поведінки механічної системи “копер – підйомна машина” дозволили визначити конструктивні обмеження для укісних шахтних копрів за спектром частот власних коливань і коефіцієнтом пульсації подовжнього зусилля в гілках укосин для виключення можливості резонансних явищ. Розрахункова модель динамічної взаємодії конструкцій шахтного копра із механізмом підйомної машини дозволила створити методику розрахунку параметрів тахограми підйому для безпечних режимів експлуатації споруд з ознаками небезпечного стану. Встановлені емпіричні закономірності фізичного зносу укісних копрів, дозволяють визначати небезпечні технічні стани об'єктів, що експлуатуються, а також розробляти ефективні методи відновлення несучої здатності будівельних конструкцій. Рекомендації з проектування раціональних конструктивних форм дозволяють створювати конструкції укісних шахтних копрів, відповідні до вимог живучості та довговічності.

Результати роботи впроваджені: при обстеженні та розробці рекомендацій з подальшої експлуатації 57 копрів на шахтах Донбасу: в/о “Макіїввугілля”; в/о “Донецьквугілля”; в/о “Краснодонвугілля”; в/о “Лісичанськвугілля”; в/о “Торезантрацит”; в/о “Шахтарськантрацит”; в/о “Артемвугілля” (1985-1998р.р.); при обстеженні та розробці рекомендацій з подальшої експлуатації гірничотехнічних споруд ДП ВК “Краснолиманська” (1998-2006 р.р.); при розробці проекту повторного використання конструкцій копра клітьового підйому ППС-2 шахти “Красноармійська Західна №1” ст. Удачна Донецької обл. (2001-2002 р.р.); при розробці проекту реконструкції комплексу гірничотехнічних споруд головного ствола ДП ВК “Краснолиманська” у зв'язку із заміною підйомної машини, м. Родинське Донецької обл. (2003-2006 р.р.).

Результати досліджень реалізовані: при створенні галузевих керівних документів: РД 12.004-93 Металлические конструкции шахтных копров. Общие требования к защите от коррозии / Госуглепром Украины. - К.: 1993; РД 12.005-94 Металлические конструкции шахтных копров. Требования к эксплуатации / Госуглепром Украины .- К.: 1994.

Особистий внесок здобувача. Особисто автору належать: постановка і рішення проблеми забезпечення безпеки будівельних конструкцій укісних шахтних копрів; аналіз джерел ризику тривалої експлуатації шахтних копрів і визначення технологічних загроз у зв'язку з можливістю аварій конструкцій шахтних копрів; узагальнення теоретичних і експериментальних досліджень динамічної поведінки механічної системи “копер – підйомна машина” при нормальній експлуатації шахтної підйомної установки; визначення конструктивних обмежень за спектром частот власних коливань укісних шахтних копрів і коефіцієнту пульсації подовжнього зусилля в гілках укосин для виключення можливості резонансних явищ у системі “копер – підйомна машина”; розробка уточненої методики визначення навантажень від натягнення підйомних канатів при нормальній експлуатації, яка дозволяє врахувати динамічні зусилля в підйомних канатах від вимушених коливань посудин; розрахунково-теоретичне обґрунтування методики математичного моделювання динамічної взаємодії конструкцій шахтного копра з механізмом підйомної машини, для дослідження екстремальних властивостей особливих навантажень від натягнення підйомних канатів при затисканні посудин, що піднімаються; встановлення закономірностей динамічної поведінки механічної системи “копер – підйомна машина” для основних типорозмірів підйомних машин за різних умов затискання посудин; методика визначення розрахункових значень особливих навантажень від розриву підйомного каната залежно від технічних характеристик шахтної підйомної установки; описання процесу фізичного старіння і класифікація прихованих аварійних станів конструкцій шахтних копрів; методика визначення параметрів тахограми підйому для зниження особливих навантажень від розриву підйомного каната; принципи вибору раціональних конструктивних форм при проектуванні, реконструкції і посиленні укісних копрів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати в процесі виконання дисертаційної роботи доповідалися на Українських республіканських конференціях з металевих конструкцій (Київ, 1992 , 2004); на міжнародних конференціях: “Металобудівництво 96” (Макіївка, 1996), “Сучасні проблеми вдосконалення і розвитку металевих, дерев'яних, пластмасових конструкцій в будівництві та на транспорті” (Самара, 2002), “Будівництво 2006” (Ростов-на-Дону, 2006); на колоквіумі “Удосконалення методів розрахунку, конструювання, будівництва, експлуатації і ремонту висотних споруд” (Скадовськ, 2005); “Современные строительные конструкции из металла и древесины” (Одеса, 2007); на науково-технічних конференціях із міжнародною участю (Славське, 2004, 2005, 2006, 2007); на міжнародних конференціях “Баштові споруди, матеріали, конструкції, технології” (Макіївка, 2003, 2005).

У повному обсязі робота доповідалася на міжнародному семінарі “Асоціації кафедр металевих конструкцій” (Сєдово, 2006), на розширеному семінарі кафедри металевих конструкцій ДонНАБА (Макіївка, 2006), на семінарі кафедри металевих та дерев'яних конструкцій Одеської державної академії будівництва і архітектури (Одеса, 2007).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 49 робіт і монографію. Основні результати досліджень опубліковано в монографії, 36 статтях у наукових журналах та збірниках наукових праць; а також у 12 матеріалах і тезах конференцій, одному патенті на корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків.

Загальний обсяг роботи – 407 сторінок, у тому числі 271 сторінка основного тексту; 42 повних сторінки з рисунками і таблицями; 34 сторінки списку використаних джерел, 60 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована проблема забезпечення безпеки будівельних конструкцій укісних шахтних копрів у зв'язку з недосконалістю норм з визначення навантажень від натягнення підйомних канатів, а також зі значним ступенем фізичного зносу споруд, що експлуатуються. Відповідно до сутності позначеної проблеми текст дисертації організований таким чином: системне представлення проблеми забезпечення безпеки конструкцій шахтних копрів, обґрунтування основних напрямків дослідження, вибір методів дослідження (розділ 1); експериментально-теоретичні дослідження динамічної взаємодії конструкцій укісних шахтних копрів із підйомними машинами барабанного типу, обґрунтування розрахункових моделей, уточнення методики визначення навантажень від робочого натягнення підйомних канатів, визначення конструктивних обмежень при проектуванні укісних копрів у зв'язку з динамічним характером навантажень від натягнення підйомних канатів (розділ 2); опис методики й обчислювальної програми математичного моделювання динамічної взаємодії конструкцій шахтних копрів із механізмами підйомних машин при затисканні посудин, що піднімаються (розділ 3); чисельний експеримент і опис закономірностей динамічної поведінки механічної системи “копер – підйомна машина” при раптовому затисканні посудин, що піднімаються, методика визначення розрахункових значень особливих навантажень залежно від технічних характеристик шахтних підйомних установок (розділ 4); закономірності фізичного зносу і класифікація небезпечних станів конструкцій копрів, система інженерно-технічних заходів щодо забезпечення безпеки об'єктів, що експлуатуються, раціональні конструктивні форми шахтних копрів (розділ 5).

У першому розділі стосовно об'єкту дослідження проаналізовані фундаментальні роботи за такими напрямками досліджуваної проблеми: 1) методологія забезпечення безпеки будівельних конструкцій, виконані: Балдіним В.А., Болотіним В.В., Гольденблатом В.М., Келдишем В.М., Мельниковим М.П., Пашинським В.А., Перельмутером А.В., Пічугіним С.Ф., Семко О.В., Стрелецьким М.С. та ін.; 2) експериментальні та теоретичні дослідження, що визначають сучасний рівень знань в області будівельних металевих конструкцій, виконані: Беленя Є.І., Бірюльовим В.В., Гордєєвим В.М., Гороховим Є.В., Єрмаком Є.М., Ліхтарниковим Я.М., Мущановим В.П., Пермяковим В.А., Сильвестровим А.В., Стрелецьким М.С., Шевченком Є.В. та ін.; 3) динаміка будівельних конструкцій, виконані: Казакевичем М.І., Кореневим Б.Г., Кулябком В.В., Рабіновичем І.М., Снітком М.К., Сорокіним Є.С. та ін.; 4) проектування і розрахунок конструкцій шахтних копрів, виконані: Андрєєвим В.Е., Антоновим Г.П., Бровманом В.Я., Балкареєм І.М., Жербіним М.М., Левіним В.М., Найденком І.С., Розенблітом Г.Л. та ін.; 5) дослідження в області динаміки шахтного підйому, виконані: Бєлим В.Д., Дінником А.М., Дворніковим В.І., Поверським О.С., Савіним Г.М., Федоровим М.М., Флорінськім Ф.В. та ін.

Ґрунтуючись на даних літературних джерел, було виконано аналіз системних зв'язків конструкцій укісних шахтних копрів з елементами технологічної системи шахтних підйомних установок (рис. 1, 2). Визначені основні джерела ризику і загрози, обумовлені можливими руйнуваннями конструкцій шахтних копрів. Однією з основних причин можливих руйнувань конструкцій є особливі навантаження при аваріях на шахтних підйомних установках, які в 4-9 разів перевищують навантаження нормальної експлуатації. Сучасні норми визначення особливих навантажень є недосконалими, оскільки не враховують динамічний характер навантажень від натягнення підйомних канатів. Другою причиною можливих руйнувань є зниження несучої здатності конструкцій шахтних копрів у процесі фізичного зносу.

Рис. 1. Об'єкт дослідження – укісний

шахтний копер у складі механічної системи шахтної підйомної установки: 1 – підйомні посудини; 2 - гілки підйомного каната; 3 - елемент арміровки ствола ; 4 - шахтний копер; 5 - напрямні шківи; 6 - струни підйомного каната; 7 - барабан підйомної машини; 8 - редуктор; 9- двигун; 10 - фундамент підйомної машини. | Рис. 2. Технологічна система шахтної підйомної установки:

I – “підйомна машина”;

II – “шахтний копер”;

III “шахтний ствол”;

IV – “пристрої забезпечення безпеки”;

V – “вентиляційна установка”.

прямі зв'язки

зворотні зв'язки

Забезпечення безпеки проектуємих споруд можливо шляхом: вдосконалення методик розрахунку; впровадження раціональних конструктивних форм стійких по відношенню до експлуатаційних агресивних дій; застосування ефективних методів захисту конструкцій від корозії та абразивного зносу. Для забезпечення безпеки споруд, що експлуатуються, необхідно створення системи інженерно-технічних заходів з контролю технічного стану та посилення пошкоджених конструкцій.

У другому розділі викладені результати експериментально-теоретичних досліджень динамічного характеру навантажень від робочого натягнення підйомних канатів. Експериментальні дослідження динаміки підйомного каната і конструкцій шахтних копрів показують випадковий характер вимушених коливань в системі “посудина – підйомний канат – напрямні шківи – копер” (рис. 3).

Рис. 3. Характерна віброграма вимушених коливань копра клітьової підйомної установки: 1 – завантаження і початок руху; 2 – прискорений рух; 3 – рівномірний рух; 4 – гальмування; 5 – розвантаження посудин

У результаті статистичної обробки експериментальних даних встановлені максимальні значення коефіцієнтів динамічності за внутрішніми зусиллями в підйомних канатах: а) для клітьових підйомних установок – 1,96; б) для скіпових підйомних установок – 1,4; в) на стадії рівномірного руху максимальне значення коефіцієнта динамічності складає 1,3. Збіг власних частот поперечних коливань копрів із частотою резонансних режимів підсистеми “посудина - канат” може бути причиною функціональних відмов шахтних копрів. Для виключення можливості небезпечних резонансів необхідно на стадії проектування конструкцій копрів враховувати умову обмеження першого тону спектру власних частот:

f1?3V/Dш.. (1)

де: V – швидкість руху підйомної машини, м/с; Dш – діаметр напрямного шківа, м.

Для забезпечення динамічної стійкості конструкцій укісних копрів, пульсуюча складова подовжніх зусиль в гілках укосини повинна задовольняти наступній умові:

N1(kd-1)/(Ne-N1) <0,064, (2)

де: N1 - статична складова зусилля в стержні гілки укосини, Н; Ne - критична Ейлерова сила для стержня гілки укосини, Н; =1,4 - коефіцієнт динамічності за внутрішнім зусиллям.

Для визначення впливу динамічного характеру навантажень від натягнення підйомних канатів на параметри вібрацій і напружено-деформований стан конструкцій шахтних копрів виконані натурні динамічні випробування чотирьох об'єктів з характерними конструктивними і технологічними ознаками.

При динамічних випробовуваннях проводилися вимірювання параметрів вібрацій і динамічних напружень в основних конструктивних елементах шахтних копрів. У результаті отримані: амплітудно-частотні характеристики вимушених коливань (рис. 4); спектри частот власних коливань; параметри циклів динамічних напружень; коефіцієнти динамічності за внутрішніми зусиллями, значення логарифмічного декременту затухання коливань (табл. 1).

Рис. 4. Амплітудно-частотні характеристики вимушених коливань рамного копра при посадці кліті на кулаки

Динамічні навантаження від натягнення підйомних канатів є низькочастотними III-IV категорії віброактивності. В процесі роботи підйомної машини конструкції шахтного копра здійснюють вимушені коливання з частотами в діапазоні 0,6-8,1 Гц. Для основних стадій циклу роботи підйомної машини коефіцієнти динамічності за горизонтальними переміщеннями складають 1,05-1,1. Податливість основи під фундаментами укосини суттєво не впливає на динамічну поведінку конструкцій шахтних копрів.

Таблиця 1

Результати динамічних випробувань шахтних копрів

№

п.п. | Режим роботи ШПУ | Кд | aд, мм | f, Гц | уд/Rу

1 | Маневри і відрив від кулаків | 1,2-1,3 | 3-4 | 1,3-2,4 | 0,02-0,03

2 | Розгін | 1,15-1,2 | 1,5-2 | 1,3-2,4 | 0,015-0,02

3 | Рівномірний рух | 1,05-1,1 | 0,5-1 | 0,6-2,4 | 0,005-0,01

4 | Посадка на кулаки | 1,2 | 2,5-3 | 1,3-8,1 | 0,02

5 | Випробування шахтного парашута | 1,15-1,2 | 1,5-2 | 1,3-8,1 | 0,015-0,02

Примітка: Кд – коефіцієнт динамічності по внутрішніх зусиллях; aд – амплітуда переміщень поперечних коливань підшківних конструкцій копра, мм; f – частота вимушених коливань; уд – амплітуда динамічних напружень, МПа; Rу – розрахунковий опір сталі за границею текучості, МПа.

На підставі результатів експериментальних і теоретичних досліджень розроблено уточнену інженерну методику визначення навантажень від робочого натягнення підйомних канатів. Відмінність уточненої методики від раніше відомих полягає в урахуванні динамічного характеру зусиль в підйомних канатах:

Sр=SS1(kд±a/g±kc), (3)

де: SS1 – розрахункове статичне зусилля в канаті, Н; ±a – прискорення або уповільнення руху підйомної машини, м/с2; ±kc - коефіцієнт опору руху підйомної посудини в шахтному стволі; kд – коефіцієнт динамічності по внутрішньому зусиллю в гілках підйомного каната для даної стадії циклу роботи підйомної установки.

Наприклад, для копра скіпового підйому розрахункове зусилля в гілці підйомного каната, що піднімається, відповідають початку прискореного руху навантаженого скіпа:

Sр=(mсгѓ1+mQгѓ2+ pкLmaxгѓ3)g[kд+a/g+ kс)], (4)

де: mс – маса підйомної посудини, кг; mQ – маса корисного вантажу, кг; pк – лінійна щільність каната, кг/м; гѓк – коефіцієнти надійності по навантаженню; Lmax – максимальна довжина прямовисної частини гілки підйомного каната, м; kд=1,4 – коефіцієнт динамічності по внутрішньому зусиллю в підйомному канаті для гілки, що підіймається.

Відповідне зусилля в суміжній гілці визначається за наступною формулою:

Sсм=(mсгѓ1+ pкLminгѓ2)g·(kд-a/g?kс), (5)

де: Lmin – мінімальна довжина прямовисної частини гілки підйомного каната, м.

Значення розрахункових зусиль в гілках підйомного каната, що визначені за уточненою методикою, значно перевищують зусилля, визначені відповідно до норм (табл. 2).

Таблиця 2

Зіставлення уточнених значень розрахункових зусиль натягнення підйомних канатів з нормативними даними

№ п.п. | Класифікація ШПУ за типом посудин | Smax/Smax0 | Sсм/ Sсм0

1 | Клітьові | 1,8 | 1,8

2 | Скіпові | 1,4 | 1,5

Кількість циклів навантаження для конструкцій шахтних копрів в середньому складає n>2*107, у цьому випадку, відповідно до вимог діючих норм, необхідно виконувати перевірку сталевих конструкцій на витривалість. В результаті експериментальних досліджень встановлено значення коефіцієнта циклу асиметрії напружень для основних несучих конструкцій, який складає с=0,5-0,7. Таким чином, отримані експериментальні дані, які дозволяють виконувати перевірку витривалості сталевих конструкцій копрів.

У третьому розділі наведено опис методики математичного моделювання особливих навантажень при затисканні посудини, що піднімається. Математичне моделювання особливих навантажень проводилося з метою чисельного експерименту для встановлення закономірностей динамічної взаємодії конструкцій шахтних копрів із механізмом підйомної машини при раптовому затисканні посудини, що піднімається.

Модельована механічна система складається з трьох підсистем: I – підйомної машини; II –шахтного копра; III –фундаменту підйомної машини. В результаті динамічних випробувань конструкцій шахтних копрів встановлено, що взаємодія механізму підйомної машини і будівельних конструкцій шахтної підйомної установки відбувається за схемою динамічних реакцій. Рух механічної системи, представленої на рис. 5, описується системами рівнянь Лагранжа другого роду. Для складання рівнянь руху використовувався “прямий” спосіб. Наприклад, для випадку затискання посудини, що піднімається, в абсолютно жорсткій перешкоді (рис. 6) сценарій розвитку аварії описується трьома системами рівнянь, які відображають характер якісних змін механічної системи. На першій стадії аварії (рис. 6,а), моделюється миттєве перетворення механізму рухомої підйомної установки на геометрично незмінну систему. При затисканні приведеної маси m1 – в абсолютно жорсткій основі, початкові умови відповідають миттєвому прикладанню імпульсів кількості руху всієї решти мас систем, що обертаються і поступально рухаються (напрямних шківів J2, J4; підйомної машини J3; приведеної маси каната і посудини суміжної гілки m5):

Рис.5. Склад підсистеми “підйомна машина”: 1– підйомні посудини; 2– гілки підйомного каната; 3– напрямні шківи; 4– струни підйомного каната; 5– барабан підйомної машини; 6– гальмівна система; 7– редуктор; 8– двигун

Рис.6. Послідовність зміни розрахункової схеми при затисканні посудини, що піднімається, в абсолютно жорсткій перешкоді: а) затискання посудини, що піднімається; б) розрив підйомного каната і спрацьовування системи аварійного гальмування; в) зупинка барабана

(6)

При t=: ; ; ; ; ;

де: - крутний момент, який передається на барабан підйомної машини від двигуна, Н*м; ... - жорсткість відповідних частин гілок підйомного каната Н/м; k – коефіцієнт внутрішнього тертя; ц2..4 – відповідні кути повороту напрямних шківів і барабана підйомної машини, рад; у5 – лінійне переміщення посудини на суміжній гілці, м; R2, R4 – радіуси напрямних шківів, м; R3 – радіус барабана підйомної машини, м; V0 – швидкість руху підйомної машини у момент затискання підйомної посудини, м/с.

Після перетворень система диференціальних рівнянь (6) приводиться до наступного вигляду:

(7)

При t=: ; ; ; ;.

У момент часу t=t1, відповідний досягненню зусилля в затисненій гілці підйомного каната значення подвоєного статичного натягнення, спрацьовує запобіжна автоматика і система аварійного гальмування, ця подія відображається зміною системи диференціальних рівнянь:

(8)

З початковими умовами: =(t1); =(t1); =(t1); =(t1); ; ; ; , які отримані із розв'язань системи диференціальних рівнянь (7).

У момент часу t=t2, який відповідає моменту розриву підйомного каната, механічна система миттєво змінюється (рис. 6,б), і її подальший рух описується слідкуючою системою диференціальних рівнянь:

(9)

З початковими умовами: =(t2); =(t2); =(t2); ; ; ,- які отримані із розв'язань системи диференціальних рівнянь (8).

У момент часу t=t3 кінетична енергія мас, що обертаються, підйомної машини повністю поглинається роботою сил тертя при гальмуванні підйомної машини, і барабан зупиняється, після цього рух механічної системи складається з коливань підйомної посудини на суміжній гілці каната і напрямного шківа (рис. 6,в), які описуються слідуючою системою диференціальних рівнянь:

(10)

З початковими умовами: =(t3); =(t3); ; , - які отримані із розв'язань системи диференціальних рівнянь (9).

Для отримання аналітичного розв'язання систем неоднорідних диференціальних рівнянь (6-10) використовувався метод розкладання рішення за власними формами коливань при зберіганні заданого виду змушуючих сил. Після визначення власних частот системи і коефіцієнтів форм, визначалися функції руху мас системи. За переміщеннями мас системи визначалися динамічні зусилля в гілках підйомного каната перед шківами і в струнах. Потім визначалися рівнодіючі від натягнення гілок підйомного каната на напрямних шківах. Рівнодіючі від натягнення гілок підйомного каната приводилися до головного вектора навантаження і моментів приведення. Розрахункова схема підсистеми “конструкції шахтного копра” є геометрично незмінною механічною системою, що складається з двох приведених зосереджених мас, об'єднаних пружними зв'язками, яка за динамічними характеристиками еквівалентна просторовій стержньовій системі споруди.

Математична модель даної механічної системи реалізована у вигляді обчислювальної програми, що складається з двох підпрограм у середовищі програмного комплексу “MathСad-11”. Перша підпрограма проводить обчислення зусиль в гілках і струнах підйомного каната, на всіх стадіях зміни механічної системи підйомної машини, що моделюють сценарій аварії при затисканні посудини, що піднімається (рис. 7).

Друга підпрограма проводить обчислення змінного в часі навантаження від натягнення гілок підйомного каната і параметрів пружних переміщень, приведених мас конструкцій копра і значень інерційних навантажень за напрямами динамічних ступенів свободи приведених мас споруди. Таким чином, особливе навантаження від затискання посудини, що піднімається, визначалося як одночасна дія змінних в часі рівнодіючих сил від натягнення підйомних канатів і сил інерції, від вимушених коливань споруди. Розрахункові значення вказаних складових особливого навантаження визначалися за моментом часу, що відповідає амплітудному значенню пружних переміщень споруди. Подальший розрахунок проводився на ПОК “SCAD”. В результаті визначалися амплітудні значення внутрішніх зусиль в елементах конструкцій. Графічна інтерпретація результатів математичного моделювання особливих навантажень від розриву підйомного каната наведена на рис. 8.

Рис. 8. Характерні результати математичного моделювання затискання підйомної посудини в абсолютно жорсткій перешкоді: а) зусилля в гілках підйомного каната; б) результати обчислення складових головного вектора особливого навантаження.

У четвертому розділі наведені результати математичного моделювання аварійних навантажень від затиснення посудини, що піднімається, наведено методику визначення екстремальних аварійних навантажень. У результаті чисельних експериментів встановлена залежність особливих навантажень від трьох якісно відмінних груп факторів впливу: а) умови аварійної ситуації; б) технічні характеристики шахтної підйомної установки; в) динамічні властивості конструкцій шахтних копрів. Фактори умов аварійної ситуації мають випадкову природу і включають: положення аварії по висоті ствола; жорсткість і міцність перешкоди. Фактори технічних характеристик підйомних машин барабанного типу характеризуються імпульсом кількості руху частин підйомної машини, що обертаються, розривним зусиллям каната і висотою підйому. До факторів динамічних характеристик конструкцій шахтних копрів відносяться: власні частоти коливань; значення логарифмічного декременту затухання коливань.

При збільшенні жорсткості та міцності випадкової перешкоди амплітуда сумарного натягнення гілок каната монотонно зростає і досягає максимального значення при затисканні в абсолютно жорсткій основі. Швидкість руху підйомної машини і положення аварії по висоті підйому суттєво впливає на амплітуду зусилля сумарного натягнення гілок підйомного каната. На рис. 9 представлені результати дослідження залежності амплітуди сумарного зусилля в гілках підйомного каната від швидкості підйому (рис.9,б) і положення аварії по висоті ствола (рис.9,а) для крупної підйомної машини ШМП 1-6.3-6.0.

Для сценаріїв другого типу характерна незначна варіація максимального значення амплітуди сумарного натягнення гілок підйомного каната (5-10%) при зміні швидкості. При номінальних швидкостях руху, для малих однобарабанних машин з діаметром барабана до 2,5м характерні сценарії аварій без розриву підйомного каната, для інших підйомних машин – із розривом підйомного каната.

Рис. 9. Характерні залежності екстремальних значень амплітуд сумарних зусиль від швидкості руху (а) і положення аварії по висоті підйому (б)

На рис. 10 наведені результати дослідження впливу технічних характеристик підйомних машин на параметри особливих навантажень. Для випадків, коли в результаті затискання посудини, що піднімається, розрив підйомного каната не можливий (рис. 10,а), спостерігається лінійна залежність між екстремальними значеннями амплітуд сумарного зусилля гілок підйомного каната й імпульсом кількості руху. У випадку, якщо розрив підйомного каната можливий (рис. 10,б), спостерігається угрупування експериментальних точок біля значень, які перевищують розривне зусилля каната: а) для підйомних клітьових установок на 10-40%; б) для скіпових підйомних установок на 18-26%. Для всіх типів поєднань екстремальних імпульсних навантажень (рис. 11) виконуються умови: 0,1<ф/T1y<2,5; 0,1<ф/T1и<2,5; ф/T1z>2,5 (де: ф – тривалість імпульсу; T1y, T1и, T1z – періоди найнижчих частот власних коливань споруди по відповідним динамічним ступеням свободи).

Рис. 10. Екстремальні значення амплітуд сумарних зусиль в гілках підйомного каната залежно від імпульсу кількості руху підйомної установки: а) розрив підйомного каната не можливий; б) розрив підйомного каната можливий

Таким чином, при особливих навантаженнях можлива дія суттєвих сил інерції у напрямі горизонтальних складових навантажень від натягнення підйомних канатів. За можливості розриву підйомного каната для рівнодіючої від натягнення затисненої гілки коефіцієнт динамічності трохи відрізняється від одиниці та складає 1,05-1,1. Якщо при затисканні посудини, що піднімається, розрив підйомного каната не можливий, коефіцієнт динамічності по горизонтальних переміщеннях складає 1,3-1,5, по вертикальних – 1,15-1,2.

Рис. 11. Основні види поєднань імпульсних зусиль екстремальних особливих навантажень при затисканні посудини, що піднімається: а) механічні системи першого виду (розрив підйомного каната можливий); б) механічні системи другого виду (розрив підйомного каната не можливий)

У результаті чисельних експериментів установлені закономірності, що дозволяють побудувати методику визначення екстремальних значень особливих навантажень залежно від технічних характеристик шахтних підйомних установок. На рис. 12 наведений графік “1” зміни екстремальних значень амплітуд сумарного зусилля в гілках підйомного каната залежно від довжини затисненої гілки, який при необмеженій міцності каната і фіксованій швидкості являє собою убуваючу функцію. Графік “2” (рис. 12) представляє залежність амплітуди сумарного зусилля гілок, з урахуванням обмеженої міцності каната і складається з двох частин: частина ліворуч від точки “М” - зростаюча функція і відповідає випадку розриву затисненої гілки, частина, розташована праворуч від точки “М”, монотонно убуває і співпадає з графіком “1”, відповідає випадкам, коли розрив підйомного каната не можливий. Таким чином, точка “М”, що лежить на перетині зростаючої і убиваючої функцій, відповідає абсолютному максимуму амплітуди сумарного зусилля в гілках підйомного каната. Отже, для визначення розрахункової ситуації, відповідної екстремальному значенню особливого навантаження, необхідно визначити критичну довжину затисненої гілки (Lкр), відповідну точці “М” на графіку рис. 12. Точка “М” є графічним рішенням наступного рівняння:

S1ст +S1д(T1/4)+S2ст+S2д(T1/4)=Рс+S2ст+S2д(T1/4), (11)

де: S1ст; S2ст – значення статичних зусиль в затисненій і суміжній гілках, Н; S1д(T1/4), S2д(T1/4) – значення динамічних зусиль у затисненій і суміжній гілках у момент часу, рівний чверті періоду тону механічної системи підйомної машини, Н; Т1 – період першого тону механічної системи підйомної машини, с; Рс – розривне зусилля підйомного каната, Н.

Рис. 12. Залежність значення амплітуди сумарного зусилля в гілках підйомного каната від довжини затисненої гілки при фіксованій швидкості підйому

Оскільки величини S1ст и S1д є функціями змінної довжини затисненої гілки (L) і швидкості, рішення (11) при фіксованому значенні швидкості дозволяє визначити критичну довжину гілки (Lкр), яка відповідає абсолютному максимуму амплітуди сумарного натягнення гілок підйомного каната для заданих параметрів механічної системи шахтної підйомної установки.

Щодо встановленої закономірності екстремальних значень амплітуд сумарного зусилля натягнення гілок підйомного каната, можлива наступна класифікація механічних систем шахтних підйомних установок: а) перший тип - механічні системи, для яких критична довжина затисненої гілки знаходиться в діапазоні між можливими значеннями максимальної і мінімальної довжини, тобто, виконується умова Lmax?Lкр?Lmin, (розрив підйомного каната можливий); б) другий тип - механічні системи, для яких критична довжина затисненої гілки менше мінімально можливої, тобто коли Lкр<Lmin (розрив підйомного каната не можливий).

Для механічних систем першого типу попередньо визначається область критичної довжини гілки підйомного каната [Lкр-50м; Lкр+50м] за наступною формулою, яка відповідає одномасовій розрахунковій схемі:

Lкр=VІm1EкAк/(б2Рс2), (12)

де: V – номінальна швидкість підйому, м/с; m1 – приведена маса всіх рухомих частин підйомної машини, кг; Eк – модуль пружності каната, Н/м2; Aк – площа перерізу каната, м2; б – коефіцієнт впливу статичного натягнення підйомного каната; Рс – розривне зусилля підйомного каната, Н.

У першому наближенні критична довжина гілки підйомного каната може бути визначена для значення коефіцієнта впливу статичного натягнення 0,8-0,9. Надалі на більш точній математичній моделі аварійної ситуації (що складається з двох або п'яти мас) уточнюється критична довжина і проводиться розрахунок навантажень конструкцій копра.

Для механічних систем другого типу критична довжина гілки відповідає положенню посудини, що піднімається, на початку гальмування підйомної машини. Після цього розрахункові зусилля в гілках підйомного каната визначаються в тому ж порядку, що і для механічних систем першого типу. Проте, в цьому випадку, при визначенні особливого навантаження складові рівнодіючих сил натягнення гілок підйомного каната помножуються на коефіцієнти динамічності. Для горизонтальних складових коефіцієнт динамічності - 1,5, для вертикальних – 1,2.

У п'ятому розділі встановлені основні закономірності фізичного старіння будівельних конструкцій і пов'язані з ними небезпечні стани; розроблені рекомендації з забезпечення безпеки укісних шахтних копрів на стадії проектування і експлуатації. На підставі аналізу й узагальнення даних обстеження 50 об'єктів, встановлені основні фактори фізичного старіння будівельних конструкцій: а) корозійні середовища; б) абразивні дії; в) дія місцевих інтенсивних навантажень, не передбачених проектом; г) ударні навантаження; д) нерівномірні осадки основи. Особливістю умов експлуатації шахтних укісних копрів є нерівномірний характер інтенсивності агресивних дій (рис. 13). За ознакою однорідності процесів фізичного старіння для конструкцій копрів виявлені три експлуатаційні зони. Найбільша інтенсивність процесів фізичного зносу спостерігається в першій і другій зонах. Для цих зон характерна дія середньо-агресивних корозійних середовищ, абразивних і ударних дій. Тонкостінні конструктивні елементи складеного перерізу, а також зварні і прокатні перерізи відкритого типу, сприяють формуванню сильно агресивних середовищ. Унаслідок неоднорідності агресивних дій, для конструкцій шахтних копрів є характерним мозаїчне фізичне старіння. Оскільки особливі навантаження трапляються рідко (математичне очікування - один раз на 60 років), унаслідок нерівномірного фізичного старіння утворюються приховані небезпечні стани. В результаті узагальнення даних обстеження споруд встановлено чотири стадії фізичного зносу і виконано класифікацію небезпечних станів. Установлені закономірності фізичного старіння конструкцій шахтних копрів являються основою для системи інженерно-технічних операцій з забезпечення їхньої безпеки. Оскільки небезпека аварій конструкцій шахтних копрів обумовлена їх взаємодією з механічною системою підйомної машини, а також з агресивними складовими експлуатаційного середовища, забезпечення безпеки цих споруд можливо шляхом створення керуючої системи, що функціонує за принципом прямих і зворотних зв'язків по відношенню до об'єкту і вказаних дій.

Рис. 13. Зонування конструкцій шахтних копрів за ознаками однорідності й інтенсивності агресивних впливів: а) копри, які розташовані над вентиляційними стволами; б) копри стволів, які подають повітря

Система забезпечення безпеки складається з підсистем, зв'язаних в слідуючому порядку: “пам’ять”-“діагностика”-“управління”. Прямі зв'язки забезпечуються інформацією про параметри: конструкцій об'єкту, навантажень, агресивних дій. Зворотні зв'язки є керуючими операціями, що можуть змінювати параметри дій на об'єкт (цілеспрямоване зниження навантажень або зменшення ступеня агресивності дій зовнішнього середовища) або