К вопросу повышения эффективности аварийного торможения шахтных подъёмных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

------------------------------- © А.К. Малиновский, А.Т. Мазлум,

2009

А.К. Малиновский, А. Т. Мазлум

К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВАРИЙНОГО ТОРМОЖЕНИЯ ШАХТНЫХ ПОДЪЁМНЫХ МАШИН

Повышение эффективности аварийного торможения шахтных подъёмных машин рекомендовано осуществлять за счёт создания режима одновременного действия электрического и механического тормозов. Электрический тормоз создаётся асинхронным двигателем. Это позволит повысить замедление, снизить путь торможения и увеличить срок службы предохранительного тормоза.

Ключевые слова: электропривод, шахтная подъёмная машина, электрический и предохранительный тормоз, асинхронный двигатель.

Современная шахтная подъёмная установка (ШПУ) - это сложный электромеханический комплекс, играющий важную роль в обеспечении нормального функционирования шахты. Выход из строя подъёмной установки влечёт за собой нарушение рабочего процесса шахты, а также может быть причиной несчастных случаев.

Наблюдаются также неисправности, требующие остановки подъёмной машины. К ним относятся регулярная смена тормозных колодок механического тормоза, вызванная постоянным их износом. Наиболее интенсивный износ тормозных колодок происходит при аварийной остановке подъёмной машины (ПМ), когда они накладываются на обод подъёмного барабана при номинальной скорости движения подъёмных сосудов, а подъёмный двигатель работает на естественной механической характеристике. Аварийная остановка ПМ вызывается срабатыванием не только аппаратуры защиты подъёмного двигателя или исчезновения напряжения питающей сети, но и при превышении скорости движения подъёмных сосудов. Наличие ограничителя скорости обеспечивает в этом случае отключение подъёмного двигателя и наложению тормозных колодок к ободу барабана при скорости, превышающей номинальную скорость на 15%. Это приводит к ещё большему износу тормозных колодок, что уменьшает их межремонтный срок. В результате этого снижается производительность шахты в целом.

Повысить надёжность работы ШПУ можно за счёт дублирования предохранительного тормоза. Учитывая невозможность применения второго механического тормоза, дублирование предохранительного тормоза можно производить электрическим тормозом путём перевода подъёмного двигателя в режим электродинамического торможения. Это стало возможным с разработкой новых схем электродинамического торможения асинхронного двигателя с фазным ротором, позволяющих создать тормозной момент без внешнего источника постоянного тока.

Кроме того, наличие режима холостого хода при аварийной остановке ШПМ, приводит к тому, что в этот период подъёмная машина работает в режиме свободного выбега, т.е. является неуправляемой. Заполнение режима свободного выбега режимом электродинамического торможения, позволяет организовать режим одновременного действия двух видов тормозов электродинамического и механического. Такой режим получил название режим одновременного действия (РОД). РОД электродинамического и механического тормозов позволяет не только продублировать предохранительный тормоз, при выходе последнего из строя, но и снизить время и путь торможения, что особенно важно, уменьшить время нахождения тормозных колодок или другого тормозного устройства в соприкосновении с ободом барабана, а следовательно, угол поворота барабана, находящегося под воздействием тормозного устройства. Это позволяет снизить износ тормозных колодок предохранительного тормоза и повысит их срок службы.

При вертикальном подъёме или при угле подъёма с углом наклона горной выработки более 500 Правилами безопасности (ПБ) установлена допустимая величина замедления при предохранительном торможении при подъёме груза не более 0^ ^ 5 м /с,

Согласно Правилам технической эксплуатации (ПТЭ) величина коэффициента статической надёжности предохранительного тормоза должна быть не менее К = 3 (где К = М /М ; М - мак-

^ с.н V ^ с.н т.м.макс с ? т.м.макс

симальный момент механического тормоза; Мс - момент статических сопротивлений на коренном валу, создаваемому разностью натяжений ветвей канатов) при вертикальном подъёме и при подъёме с углом наклона горной выработки 300 и более [1].

Как было показано выше, износ тормозных колодок зависит от времени нахождения последних в соприкосновении с ободом бара-

бана, начальной скорости и усилия на тормозных устройствах, и направлением движения груза.

Максимальное усилие тормозных колодок на обод барабана определяется коэффициентом статической надёжности, который не зависит от типоразмера ШПМ и принимается равным Кс.н = 3 , начальной скорости, при которой начинается предохранительное торможение, и изменяется от 3 м / с до 18 м / с в зависимости от типоразмера ШПМ.

Максимальное время нахождения тормозного устройства в соприкосновении с ободом барабана ПМ в первую очередь зависит от пути торможения. Найдём зависимость числа оборотов или угла поворота барабана ПМ, находящегося под действием тормозного устройства. С этой целью исследуем переходный процесс предохранительного торможения при подъёме и спуске груза для всех типоразмеров ШПМ.

Процесс предохранительного торможения описывается следующим дифференциальным уравнением

т■— = ±^ -F (О, (1)

Ж с тм

где т - суммарная масса движущихся частей подъёмной установки, приведенная к ободу барабана; Fc - усилие статических сопротивлений; Fmм (?) - усилие, создаваемое тормозным устройством.

Ведём в выражение (1) коэффициент массивности. Тогда будем иметь

Жу 1

Ж Ц

г*с

±Ь Р'тм(0

I-------------------

F,

с

(2)

т

где Ц = — - коэффициент массивности.

г св.ном. 77

^с

Учитывая коэффициент надёжности, который принимается равным Кс.н = 3 можно определить коэффициент массивности

Ц , если принять безынерционность механического тормоза и г св.ном.311

максимальную величину замедления, равную ®доп = 5 м / с2. Ко-

эффициент массивности при этом будет: при подъёме груза Ц = 0,8 с2/м и Ц = 1,33 с2/м - при спуске груза.

г св.ном. г св.ном.

Согласно стандартному ряду барабанных шахтных подъёмных машин предусмотрена классификация всех типоразмеров машин: на малые подъёмные машины с диаметром барабана от D^ = 1,2 м до D^ = 3,5 м по ГОСТ 19114-72 и крупные подъёмные машины с диаметром барабана Dб = 4,0 м и более по

ГОСТ 18115-72 [2, 3].

Принимая экспоненциальный закон нарастания тормозного усилия предохранительного тормоза, необходимо знать величину

его постоянной времени. Механическая постоянная времени Т

т.м

предохранительного тормоза может быть определена, если известно время нарастания тормозного усилия до величины, равной статическому усилию. При сдаче подъёмной установки в эксплуатацию тормозное усилие должно быть отлажено в соответствии с ПБ, исходя из времени нарастания тормозного усилия ? [1].

н

Так как

т—г*

= г .шах*

т.м т.м

1- ехр

(3)

г

г

где Г* , = т.м ; Г*________ = —тм.шах ; Г - расчётное статиче-

г

С

Г С

С

ское усилие, в соответствии с которым производится наладка тормозного устройства.

Решая уравнение (3) относительно Т , получаем

Т

т.м К

1п—сн-К, -1

(4)

Если в формулу (4) подставить время нарастания тормозного усилия ? = 0,3 С, что требуется по ПБ, и К = 3 , то можно оп-

н с .н

ределить постоянную времени предохранительного тормоза

н

0 3 Т = ^^ = 0,75 с.

т.м 3

ln—

3-1

Учитывая возможную перегрузку подъёмных сосудов на 10%,

величина постоянной времени будет Т = 0,65 с.

т.м

На рис. 1 приведены зависимости числа оборотов барабана Пбтм . находящегося под действием предохранительного тормоза

в период аварийной остановки ПМ от максимальной скорости движения V при подъёме и спуске груза для малых подъёмных ^max

машин.

Кривые 1 соответствую случаю аварийного торможения под действием безынерционного механического тормоза, как при подъёме, так и при спуске груза.

Анализ, представленных зависимостей, показывает, что число оборотов барабана, находящегося под действием механического тормоза увеличивается при инерционной механической системе по сравнению с безынерционной в обоих случаях движения груза.

Так, например, для подъёмных машин с максимальной скоростью V = 3,45 м/с число оборотов барабана Пг , находя-

max б.т.м

щегося под воздействием тормозных колодок механического тормоза увеличивается на 26% при подъёме груза. Этот же показатель для подъёмных машин с максимальной скоростью V = 11,5 м/с увеличивается в 1,23 раза.

max

Результаты расчётов режима аварийной остановки малых подъёмных машин при спуске груза с инерционным механическим тормозом и коэффициентом статической надёжности К н = 3 показывают также на увеличение числа оборотов барабана П^ в 2,31

б.т.м

раза по сравнению с аварийной остановкой безынерционным тормозом для подъёмных машин с максимальной

Рис. 1. Зависимость числа оборотов барабана пб,тм находящегося под действием механического тормоза от максимальной скорости Утах Движения подъёмных сосудов

скоростью V = 3,45 м /с . Что же касается подъёмных машин,

max

рассчитанных на максимальную скорость V = 11,5 м / с , этот

max

показатель увеличивается в 1,6 раз. В абсолютных величинах число оборотов барабана, находящегося под действием механического тормоза, увеличивается с п^тм = 1,21 об - для машин с диаметром барабана D = 1,2 м до = 3,74 об - для подъёмных

б б.т.м

машин с диаметром барабана D^ = 3,5 м .

Рис. 2. Зависимость числа оборотов барабана щштм находящегося под действием механического тормоза от максимальной скорости Vmax движения подъёмных сосудов

Полученная в

результате

расчетов

зависимость

П — /* (V ) при аварийной остановке подъёмной машины, б.т.м и 4 шах7

работающей на спуск груза, также представлена на рис. 1 и наглядно показывает разницу между торможением безынерционным и инерционным тормозами.

Результаты расчёта аналогичного показателя аварийной остановки ШПМ с диаметром барабана Dб — 4,0 м и более с безынерционным и инерционными тормозами при подъёме и спуске груза приведены на рис. 2. Анализ зависимостей

п — I (V ) показывает, что увеличение диаметра барабана

б.т.м и у шаху

и максимальной скорости движения подъёмных сосудов приводит к дальнейшему увеличению числа оборотов барабана, находящегося под действием механического тормоза с инерционной системой по сравнению с безынерционной системой. Так, например, для ШПМ с диаметром барабана ^ — 4,0 м и более число оборотов

барабана, находящегося под тормозом увеличивается на (4-16)% в зависимости от максимальной скорости при подъёме груза и на (33-45)% - при спуске груза.

Выводы

Проведенные исследования показывают, что:

- все существующие шахтные подъёмные установки, работающие с коэффициентом статической надёжности К н — 3 механического тормоза, не могут обеспечить максимальное замедление

ат&

х — 5 м / с2 при подъёме груза в связи с наличием времени холостого хода и экспоненциального закона нарастания тормозного усилия. Это обстоятельство увеличивает путь торможения, а следовательно, время нахождения тормозных колодок в соприкосновении с ободом барабана, что увеличивает интенсивность их износа;

- достичь максимальной (допустимой) величины замедления

ата

х — 5 м / с2 при подъёме груза и минимальной величины замедления при спуске груза для любого типоразмера шахтных подъёмных машин возможно путём реализации режима одновременного действия электродинамического и механического тормозов.

-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Руководство по ревизии, наладке и испытанию шахтных подъёмных установок /В.Р. Бежок, Б.И. Чайка, Н.Ф. Кузьменко и др. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Недра, 1982. - 931 с.

2. Димашко А.Д., Гершиков И.Я., Кривневич А.А. Шахтные электрические лебёдки и подъёмные машины. Справочник. - М.: Недра, 1973. - 364 с.

3. Песвианидзе А.В. Расчёт шахтных подъёмных установок. - М.: Недра,

1992. - 250 с. ВШЭ '

A.K. Malinovsky, A. T. Maslum,

CONCERNING THE QUESTION OF INCREASING OF EFFICIENCY SAFETY BRAKING MINING ELEVATING MACHINES

Increase of efficiency of existing safety braking mode for mine elevating machines is recommended to create with the help of simultaneous action of electric and mechanical brakes. Electric brake is created by asynchronous motor. It will allow to increase deceleration and decrease track of breaking and increase the period of service of safety brake.

Key words: the electric drive, mine elevating machine, electric and safety brakes, asynchronous motor.

Коротко об авторах _________________________

Малиновский А.К. - доктор технических наук, Мазлум А.Т. - аспирант,

Московский государственный горный университет, Moscow state mining university, Russia, [email protected]