АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ШАХТНЫХ

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ МАШИН
Ст. Шаллоев А.П., ст. Нарышкин Г.Г., проф. Малиновский А.К.
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
г. Москва, Россия
ANALYSIS OF THE STATUS OF THE SAFETY BRAKING MINE HOISTS
St. Shalloev A. P., st. Naryshkin G.G., prof. Malinovskiy A. K.
National research technological University "MISiS"
Moscow, Russia
Шахтные подъѐмные установки (ШПУ) предназначены для подъѐма на
поверхность полезного ископаемого, спуска и подъѐма людей, оборудования,
материалов, играют важную роль в транспортной цепочке.
Поэтому надѐжная, безаварийная работа ШПУ обеспечивает расчѐтную
производительность
остановки,
шахты.
вызванной
Однако
срабатыванием
наблюдаются
случаи
непредвиденной
аппаратуры
защиты,
приводящей
к
включению предохранительного тормоза.
Предохранительное торможение обеспечивает остановку шахтной подъѐмной
машины (ШПМ) на возможно кратчайшем пути при нарушении нормального
режима работы.
В качестве тормозного устройства применяется механический фрикционный
тормоз, который подвержен износу. При торможении поглощаемая им энергия
превращается в тепло, что снижает КПД подъѐма. Нагрев и износ тормоза
определяется конструкцией, качеством применяемых материалов и выполняемой
работой. Переход на прессмассовые тормозные колодки существенно снижает их
износ.
Таким
образом,
механические
тормоза
имеют
следующие
области
применения:
1) предохранительное торможение и стопорение на ШПУ с системами
электропривода, полностью обеспечивающими рабочее регулирование
скорости (включая системы, обеспечивающие удержание сосуда у приѐмных
устройств).
2) предохранительное и рабочее (включая стопорение) торможение на ШПУ с
асинхронным приводом и реостатным управлением.
Путь,
проходимый
сосудом
при
предохранительном
торможении
ограничивается экономическими соображениями (уменьшением высоты копра при
подъѐме сосуда и глубиной зумпфа при спуске сосуда) [1].
Аварийная остановка, вызванная застреванием опускающегося сосуда в
стволе шахты, существенно сказывается от пути торможения. Это объясняется тем,
что при поступлении команды на включение предохранительного тормоза
продолжается движение поднимающегося сосуда до полной остановки. На
застрявшем сосуде образуется напуска каната, который создаѐт дополнительную
нагрузку. Дополнительная нагрузка на сосуд может вызвать его движение, и авария
неизбежна [2].
Поэтому
основное
направление
работ
по
совершенствованию
предохранительного тормоза направлено на снижение пути торможения, а
следовательно, на увеличение замедления. Этого можно достичь как снижением
времени холостого хода t x.x , так и увеличением коэффициента статической
надѐжности K с.н .
Работа
предохранительного
тормоза
описывается
следующим
дифференциальным уравнением
m
dv
  Fc  Fт.м (t ) ,
dt
(1)
где m - суммарная масса движущихся частей подъѐмной установки, приведенная к
ободу барабана; F - усилие статических сопротивлений; F
(t ) - усилие,
c
т.м
создаваемое тормозным устройством.
Введѐм в выражение (1.3) коэффициент массивности. Тогда будем иметь

F
(t ) 
dv
1
т
.
м

,

 1
dt 
F


св.ном 
с 
где 
cв.ном

m
- коэффициент массивности.
F
c
(2)
Учитывая коэффициент надѐжности, который принимается равным К
можно
определить
коэффициент
массивности

cв.ном
,
если
с.н
3
принять
безынерционность механического тормоза и максимальную величину замедления,
равную а
 5 м / с 2 . Коэффициент массивности при этом будет: при подъѐме
доп
груза 
cв.ном
 0,8 с 2 / м .
Согласно стандартному ряду барабанных шахтных подъѐмных машин
предусмотрена классификация всех типоразмеров машин: на малые подъѐмные
машины с диаметром барабана от D  1,2 м до D  3,5 м по ГОСТ 19114-72 и
б
б
крупные подъѐмные машины с диаметром барабана D  4,0 м и более по ГОСТ
б
18115-72 [3, 4].
Проанализируем
типоразмеров
состояние
шахтных
предохранительного
подъѐмных
машин.
торможения
Исходными
всех
параметрами
предохранительного тормоза являются: начальная скорость Vнач , время холостого
хода t x.x  0,5 с и коэффициент статической надѐжности K с.н  3 . Под начальной
скоростью Vнач подразумевается номинальная скорость Vном для каждого
типоразмера ШПМ увеличенная на 15% в связи с тем, что аварийная остановка
может быть вызвана срабатыванием ограничителя скорости.
При промышленных испытаниях предохранительного тормоза снимается
осциллограмма скорости, по которой определяются: время холостого хода t x.x ,
время торможения t т . Зная начальную скорость Vнач и время торможения,
находится средняя величина замедления аср .
При виртуальном исследовании переходного процесса аварийной остановки
ШПМ при подъѐме обрабатывается осциллограмма, на которой представлены
зависимости скорости, пути торможения, замедления и тормозного усилия в
*  f (t ) (рис.1). Кривая
функции времени, т.е. V  f (t ) , hт  f (t ) , ат  f (t ) и Fт
.м
*  f (t ) представлена в относительных единицах F *  F
Fт
.м
т.м
т.м. max / Fc (где Fc
- статическое усилие, создаваемое поднимаемым грузом).
Обработка виртуальных осциллограмм переходного процесса при аварийной
остановке всех типоразмеров ШПМ, отличающихся начальной скоростью Vнач ,
позволяет построить разные диаграммы. На рис.2 приведена диаграмма ускорения
аср . На рис.3 – диаграмма пути торможения hт . На рис.4 – диаграмма
* На рис.5 – диаграмма числа
максимального усилия механического тормоза Fт
.м
оборотов барабана n
, находящегося под действием тормозного усилия на
б.т.м
тормозные колодки. И, наконец, на рис.6 - диаграмма скорости холостого хода V х.х ,
т.е. скорости, при которой колодки предохранительного тормоза входят в
соприкосновение с ободом барабана.
Анализируя диаграммы, представленные на рис.2-6, показывают параметры,
рассчитанные при торможении, когда t x.x  0,5 с и K с.н  3 (первый ряд).
Рассматривая диаграмму замедления, приведенной на рис.2, приходим к
выводу, что ни на одном типе ШПМ не обеспечивается допустимая (максимальная)
величина замедления, равная а
 5,0 м / с 2 .
доп
Поэтому
основное
направление
работ
по
совершенствованию
предохранительного тормоза сводится к снижению пути торможения
за счѐт
увеличению замедления. Этого можно достичь как снижением времени холостого
хода t x.x , так и увеличением коэффициента статической надѐжности K с.н .
Рассмотрим влияние снижения времени холостого хода с t x.x  0,5 с до
t x.x  0,2 с.
Результаты
виртуального
исследования
снижения
t x.x
в
вышеприведенном диапазоне для замедления приведены на диаграмме рис.2, из
которой следует, что замедление растѐт с
ат  2,4
м / с2
при скорости
Vнач  3,45 м / с до ат  4,051 м / с 2 при Vнач  18,4 м / с . Однако несмотря на
снижение t x.x и увеличение замедления, последняя продолжает оставаться меньше
допустимой величины замедления а
 5,0 м / с 2 .
доп
Из диаграммы пути торможения (рис.3) следует, что он снижается в
зависимости от скорости Vнач . Так при скорости Vнач  3,45 м / с путь торможения
снижается на 17,3%, в то время как при Vнач  18,4 м / с всего на 8%.
*
Рассматривая диаграмму максимального тормозного усилия Fт
.м (рис.4),
заключаем, что оно постоянного увеличивается на 3,9% при Vнач  3,45 м / с и всего
на 3% при Vнач  18,4 м / с .
Возрастает число оборотов барабана n
, находящегося под действием
б.т.м
тормозных колодок на обод, на 24,7% при
Vнач  3,45 м / с и на 7,1% при
Vнач  18,4 м / с .
Диаграмма
скорости
холостого
хода
показывает
(рис.6),
что
V х.х
увеличивается на 13,2% при скорости Vнач  3,45 м / с и всего на 2,4% при
Vнач  18,4 м / с .
Всѐ вышеизложенное свидетельствует о том, что снижение t x.x с одной
стороны повышает замедление и снижает путь торможения, а с другой стороны
повышается
оборотов
максимальное усилие, действующее на тормозные колодки, число
барабана,
находящегося
под
действием
тормозных
колодок
и
увеличивается скорость холостого хода.
* , V
Увеличение Fт
.м х.х и nб.т.м приводит к увеличению износа тормозных
колодок или других тормозных устройств, что сокращает их ресурс и снижает
производительность подъема.
Дальнейшее повышение величины замедления, а следовательно, снижение
пути торможения возможно за счѐт повышения коэффициента статической
надѐжности с K с.н  3 до K с.н  5 и более [5].
На рис.7 приведена диаграмма замедления, построенная по результатам
виртуального исследования переходного процесса аварийной остановки шахтных
подъѐмных машин.
Увеличение коэффициента статической надѐжности с K с.н  3 до K с.н  5
приводит к увеличению замедления в 1,42 раза при скоростях от Vнач  3,45 м / с до
скорости Vнач  9,2 м / с и только в 1,216 раза от скорости Vнач  11,5 м / с до
скорости Vнач  18,4 м / с . Объясняется это тем, что для поддержания а
 5,0
доп
м / с 2 необходимо снижать коэффициент K с.н с K с.н  5 до K с.н  3,8 .
Диаграмма пути торможения, построенная по результатам обработки
осциллограмм виртуального исследования переходного процесса при аварийной
остановке ШПМ, представленная на рис.8, показывает на дальнейшее снижение
пути торможения. Так, например, в диапазоне скоростей от Vнач  3,45 м / с до
скорости Vнач  9,2 м / с путь торможения снижается на 29%. При скоростях от
Vнач  11,5 м / с до Vнач  18,4 м / с путь торможения снижается от 25,8% до 8,8%,
что объясняется повышением коэффициета K с.н всего на величину K с.н  3,8 .
Проанализируем далее влияние увеличение K с.н на такие показатели как
* ,V
Fт
.м х.х и nб.т.м .
* , показывающая на увеличение этого
На рис.9 приведена диаграмма Fт
.м
показателя с 55,7% до 59% в диапазоне скоростей от Vнач  3,45 м / с до
Vнач  9,2 м / с .
При дальнейшем увеличении скорости с Vнач  11,5 м / с до Vнач  18,4 м / с
этот показатель снижается с 41,7% до 26,4%, что также объясняется снижением
K с.н с до K с.н  3,8 по тем же соображениям.
Изменение показателя n
при увеличении коэффициента K с.н с K с.н  3
б.т.м
до K с.н  5 показано на рис.10, из которого следует, что число оборотов постоянно
снижается с 18,7% до 22,7% при скоростях от Vнач  3,45 м / с до Vнач  9,2 м / с .
Затем снижается с 19,4% до 15,% при изменении K с.н с K с.н  5 до K с.н  3,8 .
Скорость холостого хода V х.х не зависит от K с.н , а зависит только от t x.x ,
которая равна t x.x  0,2 с.
Выводы
В результате анализа состояния предохранительного торможения шахтных
подъѐмных машин показано, что для снижения пути торможения и повышения
замедления необходимо снижать время холостого хода с t x.x  0,5 с до t x.x  0,2 с
и одновременно повышать коэффициент статической надѐжности с K с.н  3 до
K с.н  5 и более. При этом получены следующие результаты:
1) путь торможения снижается от 17,3% при скорости Vнач  3,45 м / с до
8,8% при скорости Vнач  18,4 м / с ;
2) уменьшается число оборотов барабана, находящегося под действием
тормозных колодок, в среднем на 20%, но одновременно увеличивается
максимальное усилие, действующее на тормозные колодки в среднем на 58%, что
отрицательно сказывается на износе тормозных колодок и снижается их ресурс.
Поэтому необходимы дополнительные мероприятия с цепью повышения
эффективности предохранительного торможения шахтных подъѐмных машин.
Литература
1. Траубе Е.С., Найденко И.С. Тормозные устройства и безопасность шахтных
подъѐмных машин. – М.: Недра, 1980. – 256 с.
2. Корняков М.В. Защита шахтных подъѐмных установок от динамических
нагрузок при движении подъѐмного сосуда в стволе. – Иркутск.: Изд-во
ИрГТУ, 2007. – 164 с.
3. Димашко А.Д., Гершиков И.Я., Кревневич А.А. Шахтные электрические
лебѐдки и подъѐмные машины. Справочник. – М.: Недра, 1973. – 364 с.
4. 4. Католиков В.Е., Динкель А.Д. Динамические режимы рудничного подъѐма.
– М.: Недра, 1995. – 448 с.
5. Малиновский
А.К.
Повышение
эффективности
предохранительного
торможения шахтных подъѐмных машин. – Электрика, №3. 2013. с. 40-44.
6. Малиновский
А.К.
Повышение
эффективности
предохранительного
торможения шахтных подъѐмных машин. – Электрика, №3. 2013. с. 40-44.