Full Text

Введение Проблема стабилизации динамического взаимодействия скипов с проводниками жесткой армировки имеет достаточно сложный характер. Ее решение определяется соотношением между параметрами систем «скип-армировка» и, в частности, соотношением между собственными частотными характеристиками колебаний скипов на роликоопорах и внешними поличастотными возмущениями со стороны проводников при условии, что система работает в устойчивом режиме по отношению к параметрическим возмущениям, вызванным переменной жесткостью на шаге армировки. Скипы на угольных и рудных подъемах горно-добывающих предприятий работают на скорости 8-12 м/с, осуществляя, как правило, спуск/подъем по двум коробчатым проводникам, с которыми они взаимодействуют через упругие роликовые направляющие и жесткие стальные башмаки скольжения. Каждый скип подвешен на одном канате. Характерной особенностью значительного количества стволов является то, что они находятся в зоне влияния сдвижения горных пород и имеют существенные нарушения вертикальности проводников на локальных участках. При проведении динамических испытаний на скорости подъема 10-11 м/с на этих участках фиксируется появление повышенных контактных нагрузок на проводники со стороны подъемных сосудов. Во время движения по стволу скип совершает вынужденные горизонтальные колебания в лобовой и боковой плоскостях в пределах кинематических зазоров между рабочими поверхностями предохранительных башмаков и проводников. Амплитуды и частоты этих колебаний определяются инерционными параметрами скипа, жесткостью роликовых направляющих, параметрами кривизны профиля каждого проводника и вертикальной скоростью движения скипа. В стволе присутствуют участки проводников с разными параметрами кривизны. Поэтому амплитудно-частотные параметры горизонтального возмущения, действующего на скип со стороны проводников и передающегося через упругодиссипативные узлы роликоопор, существенно различаются на разных участках ствола. В стволах существуют участки, на которых отклонения проводников от вертикали малы, не превышают 3-5 мм и распределены по протяженному участку ствола, имеющему длину 10-30 длин сосуда. На таком участке скип движется в безударном режиме, совершая низкочастотные колебания с опиранием на проводники только через подпружиненные роликовые направляющие в пределах рабочего хода пружин, т.е. совершает проектный безударный режим взаимодействия с армировкой. Также в стволах есть участки, на которых локальные отклонения профиля носят знакопеременный характер или имеются значительные односторонние отклонения от вертикали. Если амплитуды знакопеременных или локальных отклонений профиля проводников от вертикали достигают 20-30 мм на длине скипа (это 3-4 пролета ярусов армировки), амплитуды вынужденных колебаний также выходят за пределы кинематического зазора (по требованиям правил безопасности максимальный зазор не должен превышать 23 мм на сторону), и в жесткий контакт с проводниками вступают рабочие поверхности предохранительных башмаков. Экспериментально установлено, что максимальные контактные усилия в случае ударно-циклического взаимодействия сосуда с проводниками в этих условиях достигают 50-60 кН [1]. Высокий уровень эксплуатационных нагрузок приводит к ускоренному износу проводников, снижает ниже допустимого уровня динамические запасы прочности проводников и расстрелов, узлов их крепления. Высокие динамические контактные нагрузки приводят к ускоренному образованию усталостных трещин, разрыву сварочных швов проводников. Поэтому главным фактором, определяющим надежность и безопасность работы системы «сосуд - жесткая армировка», является уровень динамических нагрузок на проводники со стороны подъемного сосуда. Эти нагрузки определяются двумя составляющими: нагрузка, воспринимаемая роликовым амортизатором, и нагрузка, воспринимаемая жестким предохранительным башмаком сосуда. Максимальный уровень этих нагрузок главным образом определяется кривизной проводников на локальном участке ствола, вертикальной скоростью и массой сосуда. Роликовые подпружиненные амортизаторы скипа предназначены для его удержания в центрированном положении относительно коробчатых проводников в пределах кинематических зазоров и предотвращения жесткого контакта башмаков с проводниками при колебаниях сосуда. Основной характеристикой, определяющей работу роликовой направляющей подъемного сосуда, является вид зависимости между горизонтальным перемещением точки контакта ролика с проводником и усилием сопротивления, которое определяется конструкцией, параметрами и упругодиссипативными характеристиками системы направляющих. Фактически надо обеспечить такой режим движения сосуда относительно армировки по всему стволу (отдельно в лобовой и боковой плоскостях), чтобы все горизонтальные возмущения от проводников поглощались с помощью системы роликовых амортизаторов, не приводя к жесткому ударному контакту башмаков с проводниками, т.е. обеспечить режим движения с суммарными нагрузками на проводник не более 10 кН [2]. Для решения данной задачи можно применение различных систем математического моделирования, включающих как непосредственный вывод дифференциальных уравнений движения системы с их последующим аналитическим и численным решением классическими методами, так и конечно-элементное моделирование в стандартных системах программирования, например, в системе SolidMotion. Компьютерное моделирование динамических процессов в системе «сосуд-армировка» в стволах с нарушенной геометрией Математическому моделированию динамики системы «сосуд-армировка» посвящено достаточно большое число работ. Наиболее полно на сегодняшний день оно освещено в работах профессора В.И. Дворникова [3-5]. Главная особенность этих исследований состоит в том, что в них решались задачи динамики и определения параметров элементов системы направляющих для стволов с проектными параметрами профилей проводников. В стволах с нарушенной геометрией геометрические параметры профилей проводников могут существенно отличаться от проектных, и их корректировка может быть сильно затруднена в связи со сложными горно-техническими и геологическими условиями. Вариант применения системы SolidMotion наиболее удобен, но имеет свои ограничения по возможностям моделирования свойств реальных систем. Поэтому на первом этапе исследований воспользуемся возможностями вычислительной системы SolidMotion для моделирования и исследования взаимодействия скипов с армировкой в реальных условиях стволов с роликовыми направляющими традиционной конструкции, снабженными резинопружинными амортизаторами с постоянными, в пределах кинематических зазоров, жесткостями амортизирующих блоков, определенными экспериментально. Конструкции направляющих, их вид и результаты определения их жесткостных параметров приведены в работе [6]. Для построения вычислительной конечно-элементной модели в системе SolidMotion подъемный сосуд моделируется твердым недеформируемым объемным телом, габаритные размеры и массы которого равны габаритным размерам и массам скипов, работающих в железорудных стволах. Параметры подъемных установок, использованные при расчетах, приведены в табл. 1. Таблица 1 Параметры скипового подъема Параметр Характеристика Высота подъема, м 940 м Скорость подъема (рабочая), м/с 10,9 м/с (рабочая) Тип подъемных сосудов Скипы: СО-9,5-174-0.12.000-ФО Собственная масса сосудов, кг 17000 Грузоподъемность, кг До 23 000 При моделировании горизонтального движения скипа считается, что он зафиксирован в вертикальном направлении относительно неподвижного пространства, при этом проводники считаются абсолютно твердыми телами, которые движутся вертикально относительно скипа по заданным законам, взаимодействуя с ним через четыре упругодиссипативные связи. Характеристики связей задаются стандартным образом в системе моделирования. Скип совершает горизонтальное движение под действием четырех вынуждающих кинематических воздействий в лобовой и восьми в боковой плоскостях по заданным функциям времени законам как система с пятью степенями свободы. Твердотельная модель скипа взаимодействует с моделями участков проводников посредством упругодиссипативных связей в точках установки на скипе реальных роликовых направляющих (рис. 1). Горизонтальные перемещения проводников относительно скипа моделируются функциями времени, которые определяются специальным образом c использованием средств математи- ческого процессора на основании реальных маркшейдерских данных отклонений проводников от вертикали на каждом ярусе армировки, данных раскладки номеров ярусов по глубинным отметкам в стволе и диаграммы вертикальной скорости скипа, измеренной цифровым блоком аппаратуры управления подъемной машиной. Проводники установлены на заданных расстояниях от скипа, равных реальным кинематическим зазорам на сторону, их граничные значения - 15-23 мм - определяются правилами безопасности. При вычислительных экспериментах зазоры варьируются внутри и за пределами этих границ, так как в стволах с нарушенной геометрией во избежание заклинивания сосудов на искривленных участках зазоры могут достигать 30-40 мм, а на участках сужения колеи уменьшаться до 10 мм на сторону. На рис. 2 приведены профили проводников в скиповых отделениях стволов. При движении скип проезжает по проводникам, контактируя с каждым сечением поочередно верхними и нижними направляющими, отдельно с одной и с другой стороны. Для построения функций, задающих мгновенные значения горизонтального отклонения каждого проводника от вертикали на верхнем и нижнем поясах скипа, в зависимости от времени в цикле выполняются вспомогательные расчеты в программной системе Маthcad. Для нижнего яруса сосуда момент времени, в котором задаются горизонтальные перемещения участка проводников, вычисляется со сдвижкой на время прохода сосудом пути, равного высоте сосуда с текущим значением скорости. В результате работы соответствующего программного блока строятся файлы с матрицами горизонтальных перемещений проводников в развертке по времени в цикле, которые в дальнейшем считываются системой SolidWoks-SolidMotion при исследовании динамики скипа. На рис. 3 приведены фактические диаграммы линейных скоростей вращения барабанов подъемных машин (скоростей подъема/спуска скипов) в указанных стволах. Видно, что фактические диаграммы существенно отличаются от традиционной пятипериодной диаграммы скорости. Ниже приведены результаты численных исследований динамики систем «скип-армировка» в системе SolidMotion [7]. Исследуем зависимость динамических нагрузок между скипом и проводниками в указанных скиповых отделениях стволов от величины кинематического зазора и жесткости, присущих действующим типам направляющих. При выполнении данных исследований диссипацией энергии будем пренебрегать для получения более чистой картины взаимодействия (контактные нагрузки при этом будут заведомо больше, чем с учетом диссипации энергии). На рис. 4, а приведены графики лобовых колебаний южного скипа между проводниками в лобовой плоскости при начальном зазоре в районе базовой отметки 15 мм на сторону с жесткостью каждой из роликовых направляющих 150 кН/м. Видно, что в процессе движения скип на одних участках движется в безударном режиме, взаимодействуя с проводниками только через роликовые направляющие, а на других вступает с ними в жесткий контакт. При этом частота колебаний на участках ударного взаимодействия больше, чем на участках плавного движения. На рис. 4, б приведены графики контактных нагрузок взаимодействия южного скипа ствола № 2 с проводниками в этом же цикле подъема на этапах разгона, равномерного движения и начала замедления. Видно, что на участках значительных местных искривлений проводников возникают ударные нагрузки со стороны скипа по верхнему и нижнему поясам направляющих. На рис. 5, а, б приведены укрупненные фрагменты этих же графиков на участке интенсивного ударно-циклического взаимодействия скипа с проводниками от 70-й до 100-й секунды подъема. Видно, что частота соударений скипа с проводниками с учетом контактов всех четырех башмаков достигает 4-5 Гц. Кроме того, на участках с различными параметрами профилей величины нагрузок отличаются друг от друга в несколько раз. Несмотря на доминирующий характер взаимодействия с небольшим уровнем контактных нагрузок, встречаются отдельные участки цикла с одиночными резкими ударами значительной величины. На рис. 5, в и г приведены графики перемещений скипа и контактных нагрузок для случая, когда один из проводников из-за опирания на расстрел, усиленный упором, имеет жесткость в 2 раза большую, чем другой. Из графика на рис. 5, г видно, что в этом случае контактные нагрузки на более жесткий расстрел примерно в 2 раза большие, чем на второй. В каждый момент времени динамика сосуда определяется параметрами профиля на текущем участке движения. Параметры профиля каждого отдельного проводника являются случайным набором чисел, обладающих собственными статистическими характеристиками. Динамика сосуда формируется как собственными параметрами профиля каждого из двух его проводников, так и их сочетанием между собой. Исследования на вычислительной модели показывают, что при движении скипа по одной и той же диаграмме скорости, при одной и той же жесткости направляющих изменение кинематических зазоров создает в системе тенденцию к общему снижению уровня контактных нагрузок. Но при этом их пиковые значения реализуются в различных точках ствола в пределах общего участка с повышенным уровнем ударно-циклического взаимодействия. При разной жесткости направляющих сосуд по-разному входит в каждый последующий участок ствола. Мгновенные значения кинематических зазоров на входе в каждый последующий по ходу движения участок формируются в конце предыдущего участка и зависят от жесткостей всех направляющих (в лоб и вбок). Поэтому наезд сосуда на одну и ту же неровность профиля при разных начальных зазорах на входе в участок с неровностью дает разные контактные нагрузки, так как встреча каждой направляющей с наклоненным участком проводника происходит с разными относительными горизонтальными скоростями соударения. На рис. 6 показаны графики резонансных частот конечно-элементной модели системы «скип - роликовые направляющие - проводники» по пяти степеням свободы, построенные с помощью системы программирования SolidSimulation в зависимости от приведенных к точке контакта ролика с проводником жесткостей направляющих. Видно, что с увеличением жесткости каждой роликоопоры до 7 раз частоты колебаний в лобовой и боковой плоскостях по каждой из степеней свободы возрастают в = 2,6 раза. При этом из-за того, что в боковой плоскости колебания сосуда определяются жесткостями четырех одинаковых роликоопор, а в боковой восьмью, поступательные и наклонные частоты колебаний в боковой плоскости выше соответствующих частот в лобовой плоскости (кривые 2 и 4, 1 и 3) в = 1,4 раза. Это полностью согласуется с физической сущностью исследуемого процесса и подтверждает корректность разработанной вычислительной модели. На рис. 7 приведены спектры геометриических параметров профилей системы проводников 7/8 южного скипового отделения ствола № 2 (см. рис. 2, а) на участке повышенного уровня ударного взаимодействия: поступательного перемещения скипа и угла наклона в лобовой плоскости на интервале подъема 60-100 с по диаграмме скорости, приведенной на рис. 3, в. Данные рис. 7 свидетельствуют, что профиль системы проводников 7/8 в лобовой плоскости при диаграмме скорости подъема (см. рис. 3, в) на участке подъема 60-100 с создает возмущения наклонным колебаниям скипа с частотами в интервалах: 0,1-0,7; 1,0-1,5; 2,0-2,5 Гц. По поступательным лобовым перемещениям скипа существенные возмущения присутствуют только на очень низких частотах (от 0,1 до 0,25 Гц). Сравнивая эти спектры с графиками резонансных частот на рис. 7, видим, что наибольшая динамическая реакция скипа на профиль данных проводников приходится на его наклонные колебания в лобовой плоскости (кривая 2, диапазон резонансной частоты 0,5-2,5 Гц). Это хорошо согласуется с картиной соударений, приведенной на рис. 5, б, на которой башмаки поочередно вступают в ударный лобовой контакт с проводниками. На рис. 8 приведены спектры колебаний скипа при жесткостях пружин роликов 150 и 550 кН/м на участке интенсивного ударного взаимодействия с проводниками (рис. 5). Видно, что в первом случае доминируют частоты 0,5-0,65 и 0,8-1,2 Гц. Они совпадают с резонансными частотами скипа при данной жесткости пружин (рис. 6, кривые 1 и 2). Во втором случае значения доминирующих частот возрастают до 0,8-1,25; 1,5-1,8; 2,1-2,3 Гц. Они также лежат в области резонансных частот при этой жесткости пружин роликов. Численное исследование зависимостей максимальных контактных нагрузок в цикле подъема скипа от жесткости роликоопор при разных значениях кинематических зазоров на сторону на базовой отметке ствола показало, что с увеличением зазора максимальные нагрузки имеют тенденцию к уменьшению. Это качественно согласуется с результатами обработки данных измерений нагрузок аппаратурой АКН, приведенными в работе [8] для вертикального ствола Таштагольского рудника, и соответствует физической сущности исследуемого процесса (отсутствие в системе параметрического резонанса, вызванного переменностью жесткости проводников на длине шага армировки) [9-20]. Аналогичная тенденция наблюдается при увеличении жесткости роликоопор с неизменными значениями кинематических зазоров на базовой отметке. Контактные нагрузки между башмаками и проводниками снижаются с ростом жесткостей направляющих в пределах 100-700 кН/м до 3 раз для приведенных на рис. 2, а профилей проводников при подъеме груженого скипа по диаграмме скорости, приведенной на рис. 3, в. При этом их пиковые значения реализуются в различные моменты времени на разных моделируемых проездах по одинаковым диаграммам скорости. Графики на рис. 9 показывают средние нагрузки за время прохода скипом участка ствола с повышенными ударными контактами башмаков с проводниками в интервале 60-100 с подъема в зависимости от жесткостей направляющих для различных значений базовых зазоров. Видно, что контактные нагрузки для всех значений зазора имеют максимум в интервале жесткостей 250-350 кН/м. Сопоставительный анализ этих результатов с кривыми на рис. 7 и 8 показывает, что частоты возмущений от профилей проводников на данном участке ствола оказываются наиболее близкими к собственным частотам колебаний скипа при этих значениях жесткостей роликоопор, что создает предпосылки для резонансного нарастания его колебаний в этом отделении ствола. Выводы 1. В дорезонансном (по критерию параметрического возбуждения, вызванного периодичностью жесткости проводников) режиме взаимодействия подъемных сосудов с армировкой доминирующее влияние на уровень динамических нагрузок оказывает совокупность параметров: искривления проводников на локальных участках ствола в 2-3 длины подъемного сосуда, отклонения центра масс груза от оси подвеса каната, суммарные кинематические зазоры в парах «башмак-проводник». 2. Спектральные параметры знакопеременных отклонений проводников от вертикали в зависимости от скорости вертикального движения подъемного сосуда носят поличастотный характер и при определенных сочетаниях инерционных параметров сосуда, упругости роликовых амортизаторов, жесткости армировки могут оказываться близкими к частотам собственных колебаний системы «сосуд-армировка» и вызывать рост динамических нагрузок на армировку. 3. Твердотельное математическое моделирование взаимодействия подъемных сосудов с армировкой позволяет определить уровень и характер изменения динамических усилий взаимодействия сосудов с проводниками в процессе подъема при движении по рабочей диаграмме скорости. 4. В сочетании с данными аппаратурного износа проводников и расстрелов предложенные методы позволяют определить зависимости уровня динамического взаимодействия от параметров коррекции профилей проводников при неизменных других параметрах.

About the authors

Vladimir I. Samusia

Author for correspondence.
Email: vsamusya@gmail.com
19 K. Marks av., Dnepropetrovsk 49600, Ukraine

Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Mining Mechanics

Inna S. Iliina

Email: iljina_is@mail.ru
19 K. Marks av., Dnepropetrovsk 49600, Ukraine

PhD in Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Mining Mechanics

Svetlana S. Iliina

Email: sveta_il86@mail.ru
19 K. Marks av., Dnepropetrovsk 49600, Ukraine

PhD in Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Mining Mechanics

References

Statistics

Views

Abstract - 201

PDF (Russian) - 23

PDF (English) - 28

Refbacks

• There are currently no refbacks.