CC BY
160
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Т«м 67 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 3949 г.
РАСЧЕТ ПОДЪЕМНЫХ КАНАТОВ ПО НАГРУЗОЧНЫМ КОЭФФИЦИЕНТАМ И КОНЦЕВОЙ НАГРУЗКЕ
И. А. БАЛАШЕВ
В настоящее время расчет канатов для подъемных установок производится по статической нагрузке. „Расчетная статическая нагрузка подъемного каната складывается из веса клети или скипа с прицепными устройствами^ плюс вес максимального рабочего груза, плюс вес каната длиной от точки схода его со шкива до точки прикрепления к клети или скипу, находящемуся на нижней приемной (погрузочной) площадке наинизшего горизонта44 ¡7], В основу расчета положено уравнение прочности
т
(Ц
В левой части имеем внешние силы, в правой—силы упругости каната.
Отсюда путем преобразований получается расчетная формула веса кш говиого метра каната
Я* / ч р= -----— (кг—л«},
— "о
где (¿о—концевая нагрузка, ¿о—прочная длина каната и //<»—длина свисаю-щей со шкива части каната.
После выбора каната по ОСТ проверка запаса прочности в.ыб.раннот маната, а также находящегося в эксплоатации производится по формуле
т= —9т— (3)
Формула (2) известна в литературе под названием расчетной формулы акад. М. М. Федорова [5].
Действие на канат других усилий, кроме статических, в расчет не вводится и таковые учитываются предельными запасами прочности. Изгибающие силы ограничиваются предельным отношением диаметра шкива и барабана к диаметру каната, а износ каната—предельным углом девизция каната. Расчетные и браковочные величины запасов прочности приводятся в табл. 1.
Таблица 1. Запасы прочности
Тип установки
Исключительно людской •
Грузо-людской.....
Грузовой . . . . . . . .
Запас прочн. при расче1е не меньше
9
7.5
6.5
Браковочный запас прочн. не меньше
ПРИМЕЧАНИЕ
Запас прочности определяете» по формуле ( как отношение суммарного разрывного усилив всех проволок каната к расчетной статической загрузке
Ж
Для всех типов установок на поверхности а) отношение диаметра барабана и шкива к диаметру каната должно быть не меньше 80; б) отношение диаметра шкивов и барабанов к диаметру проволок каната должно быть не меньше 1200; в) угол девиации (отклонения) струны каната не должен превышать 1°ЗС;.
Указанные в пунктах а, б, & ограничения гарантируют фактический за-ягйс прочности каната в допустимых пределах и оправданы многолетним опытом эксплоатации.
Но в то же время приведенная методика расчета содержит в себе ряд недостатков. Укажем основные из них:
!. Запас прочности остается постоянным, независимо от высоты подъема* это находится в противоречии с обоснованными теоретическими и экспериментальными исследованиями последних лет,
2. В нормативах запасов прочности (табл. 1) не учитывается тип сосуда и способ управления приводом машины, вследствие чего получаются запасы прочности излишними в одних случаях и недостаточными в других ^при контакторном управлении асинхронным приводом), что приводит к аварийному состоянию нагруженные элементы машины и к быстрому износу канатов, а в некоторых случаях и к их обрыву.
3. При расчете остается неизвестным фактический запас прочности, причем этот запас по пределу усталости предполагается одинаковым для всех типов установок, независимо от способа управления (от характера ускоряющего момента).
Указанные недостатки настолько существенны, что вызывают необходимость искания новых способов расчета каната, которые в возможно полной тире отражали бы основные факторы, определяющие нагрузку на канат.
Одним из возможных методов расчета каната, в котором более полно учитываются фактические нагрузки, предлагается метод расчета по нагру* ионным коэффициентам и концевой нагрузке.
Сущность предлагаемого метода состоит в следующем:
а) выбор каната по каталогу производится по разрывному усилию ка-ната— С?разр> которое определяется по коэффициенту общего запаса проч-жостав—т0бщ, и концевой нагрузке—по формуле
(?разр = ТПобщ (?о» (4)
б) проверка коэффициента запаса прочности нового каната или находя щегося в эксплоатации определяется по формуле
/ _ 0. Г-МР /СЧ
т общ — (о;
(Л
где ф'разр —условное разрывное усилие каната, ш0бщ — общий коэффициент запаса прочности.
Коэффициент общего запаса прочности при расчете определяется, как
Шобвц = ЛГнжгр . (6)
Здесь &изн — коэффициент износа каната,
К*** — запас прочности проволок каната, определяемый как
= , (7).
а
<а«и
&нагр — нагрузочный коэффициент.
Нагрузочный коэффициент в свою очередь состоит из суммы пяти чш-
•стйых коэффициентов:
Кыжтр ~/Скати К%лп Кь зг "4" К им я -{"Лувр (®)
В правой части частные нагрузочные коэффициенты выражают в частях от концевой нагрузки эквивалентные силы от концевой нагрузки, от веса каната, от изгиба на шкиве и барабане, от колебаний каната во время пуска и от способа управления двигателем.
В развернутом виде расчетная формула (4) имеет вид:
Qpaзp = Кз&п ЛЙЗН($ГКОНЦ ^кан "+" Ккаг Ккол ~}-^упр)Оо» (9)
Частные еагрузочные коэффициенты
Коэффициент концевой нагрузки
Концевая нагрузка Q0 состоит из номинального полезного груза—Q» ж мертвого веса QM—сосуда и вагонеток. Вес полезного груза не является строго постоянной величиной как для угольных, так и рудных месторождений, Влияние влаги, величины кусков, засоренность включающими породами вызывают изменение удельного веса ископаемого, а, следовательно, веса груза в вагонетках и скипах.
Частные случаи перевесок полезного груза в вагонетках и скипах указывают, что колебания от номинального веса в скипах в сторону увеличения доходят до 110%,
Можно принять при расчете каната:
а) для скиповых подъемов ЛГнагр = 1.1
б) * клетевых » „ 1.05.
Коэффициент от веса каната
Собственный вес каната зависит от высоты подъема и бывает довольно значителен. Введение его в расчетную формулу в виде постоянного коэффициента—АГкак обосновывается следующими соображениями.
По определению нагрузочный коэффициент от веса каната равен
Акан — ----. (Ш>
vo
S
Можно показать, что отношение ~ изменяется в узких пределах 1500—
1600, если Q0 выражено в кг, а сечение каната S—в см2.
Условный удельный вес Yo также изменяется незначительно для разные конструкций канатов и колеблется в пределах около 9500 кг/мг. Приняв средние значения этих величин, получим
к- - t -6110-4 •я° т
1600-104 * #
На основании этой формулы составим табл. 2
Таблица 2
Ио(м) 100 | 200 | 300 500 700 1000
АГкаи 0.06 0.12 j i l 0.18 0.3 > ! 0.42 1 ОЛ
Из таблицы видно, что нагрузка от веса каната возрастает и при глубине шахты ¿000 м достигает 60°/0 от веса конуевой нагрузки.
Пользуясь табл. 2, можно при расчете вводить на* рузочный коэффициент от веса каната в зависимости от высоты подъема. Теоретическими и экспериментальными работами Еогана, Некоза, А. С. Ильичева и др. [8| доказано, что величина волны напряжения, вызываемая динамической силой при резких изменениях скорости, возрастает до определенной „критической* длины каната, составляю шей по весу 0.35 С$о9 а при дальнейшем увеличении длины каната это напряжение остается или постоянным или даже уменьшается.
Это обстоятельство в практике учитывается тем, что шкала запасов прочности дифференцирована в зависимости от высоты подъема, как показано в табл. 3.
Таблица 3. Нормы запасов прочности канатов в зависимости от высоты подъема (по статической нагрузке) Р. П и л ь —Справочник по горному делу
Высота
Запас проч ности
И(М)
При навеске При снятии
До 150 | 150-300 | 300—600 600-900
8
6.4
900 и больше
7
5.8
6
5.0
5
4.3
4
3.6
Из этой таблицы видно, что расчетный запас для больших высот подъема в два раза меньше, чем для малых высот. Аналогичная, но более обоснованная шкала запасов прочности предложена членом-корресп. ЛН СССР
А. С. Ильичевым [6]
В связи с этим представляется возможным принять нагрузочный коэффициент от веса каната постоянным и равным
К>\кан - 0 , 3.
(12)
При этом в коротких канатах будем иметь повышенный запас, а в длинных—пониженный, что будет компенсироваться увеличением сил от свобод пых колебаний в первом случае и уменьшением их—во втором.
Коэффициент от изгиба каната
При проходе каната через направляющий шкив и навивке его на барабан возникают напряжения от изгиба. Величина изгибающей силы определяется по , формуле
п _ /Гк.о.5
Ц/изг — *
Нагрузочный коэффициент от изгибающих сил будет
_9нзг_ _ Ек_______ _0.8Ч0б_ =
Оп ° Ро ~ ' 1000-1600 ~~ ' '
/Ч. нчг ——
(13)
(14)
Модуль Юнга для канатов принятых конструкций взят по опытным данным МакНИИ [8], отношение принято минимально допустимое к
<2о
5
согласно установленному постоянству этого отношения
Коэффщзя&жт от пусковых колебаний
В силу упругих свойств, в канате под действием движущих сил возникают вынужденные ко\ебания. Характер колебательного процесса описывается волновым уравнением. Эти колебания вызывают дополнительные напряжения в канате, перемещающиеся по его длине. Особенно большие напряжения возникают в начале подъемной операции в тех случаях, когда канат имел слабину или напуск. Волновое уравнение, уподобляя канат упругой нити, хорошо описывает само явление колебательного процесса, но не дает достаточного материала для расчета каната. Экспериментальные данные Комитета по вопросам безопасности в горной промышленности в Англии, полученные на 100 шахтах, показывают, что максимальное натя чтение каната от колебаний при пуске в большинстве случаев составляет (1.4-1.8) QCT [8].
В неблагоприятных случаях натяжение каната во время пуска может доходить до 2,5 QCt- В это натяжение входят силы инерции, возникающие при ускоренном движении. Как правило, максимальное натяжение имеет место при трогании с места концевой нагрузки, затем, по мере увеличения скорости, они спадают до величины около 1.6 QCT.
Совершенно очевидно, что, если имеется напуск или слабина каната, а это будет всегда в клегевых подъемах с кулаками, усилие будет значительным, а в скиповых подъемах, где канат всегда натянут, эти усилия будут меньшими.
Эксперименты, произведенные автором на скиповых и клетевых установках Кузбасса, показывают, чго колебания сосуда имеют место не только в период пуска, но и во всех положениях движущегося сосуда. Методика эксперимента состояла в постановке в сосуд вибрографа, причем производился нормальный цикл подъемной операции.
Обработка опытных виброграмм приводит к следующим выводам:
1. Наибольшие амплитуды колебаний имеют место в скиповых установках, управляемых контакторами.
2. В скиповых установках с жидкостным реостатом и управляемых по системе Леонарда амплитуды колебаний значительно меньше.
3. В клетевых установках, управляемых жидкостным реостатом, амплитуды колебаний при пуске незначительны, так как они погашаются действием парашютной пружины.
4. Колебания имеют место в течение всего цикла подъема, увеличиваясь по частоте и амплитуде в период пуска и остановки.
В качестве иллюстрации на рис. 1 приведены виброграммы типичных установок. Величина напряжений, вызываемых колебаниями, для данного конкретного случая для грузовой ветви, идущей вверх, как правило, возрастает по мере приближения к разгрузочному бункеру. Численное значение напряжений и дополнительных сил, вызываемых колебаниями, определяется так.
Напряжение в канате
о = гЕк, (150
где i—относительное удлинение и Ек—модуль упругости каната; причем
г = —-—, (16)
Но
где Н„—длина свеса каната. Имеем
о = (15")
#„
или
аН0 = 1.Ек. (15)
В одной из снятых опытно Еиброграмм имеем при трехкратном увеличении амплитуду колебаний 21 мм. Следовательно, абсолютное удлинение, вызванное колебаниями, будет
X — 21 : 3 = 7 мм.
Принимая для каната Ек = 0.85* 106 кг!см2, получим уравнение гиперболы, имеющей своими ассимптотами оси координат
сН0 = 7 * 0.85 * 106»
Если выразить Но в метрах, то с//0 = 600.
При изменении Н0 будем иметь величину напряжения, приведенную в табл. 4.
Таблица 4
Длина маната—Иш)
1000
700
500
300
1С0
10
Напряжение
а (кг!см2)
10
12.5
20
60
600
1000
20С0
6000
Напряжения в канате возрастают по мере приближения скипа к разгрузочному бункеру.
При данной высоте перегюдъема 5 м% сечении каната 1см2 и концевой нагрузке 12000 кг будем иметь наибольшее значение коэффициента нагрузки каната от колебаний
^,=-^ = 0.59. (17)
, 1.000
Сопоставляя полученные опытные данные с указанными выше результатами экспериментов и теоретических изысканий, можно предложить для расчетов следующие величины для коэффициента, характеризующего дополнительные напряжения в канате от колебаний: \
а) для клетевых подъемов при наличии кулаков на обеих площадкарс
АГ'кол.= 0.8 ч-1.1 35 0.9, (18)
б) для скиповых подъемов и клетевых с качающимися площадками на одном из горизонтов
А"КОЛ=0'4ч-0 6^0*5. (19).
Есть основания полагать, что этот вид дополнительной нагрузки специфичен и различен не только для разных установок, но и для данной установки в различные периоды эксплоатации и также зависит от состояния поверхности барабанов и шкивов.
Коэффициент, зависящий от способа управления
Дополнительные напряжения в канате возникают также от характера избыточного (ускоряющего) момента. По времени возникновения этот вид колебаний совпадает с предыдущим, т. е. имеег место во время ускоренного движения. Однако причины их возникновения совершенно различны: если пусковые колебания зависят от различной скорости на концах каната, т.е. натянут канат или имеет большую слабину и верхний конец приобретает
некоторую скорость, а нижний имеет нулевую скорость, то колебания, воз -никающие от способа управления, имеют место независимо от состояния каната.
Если асинхронный электродвигатель управляется с помощью жидкост ного реостата, то в этом случае избыточный (ускоряющий) момент имеет почти постоянную плавно возрастающую величину, В том же случае, когда имеем металлический реостат, избыточный момент будет иметь пилообразный характер при переходе с одной ступени реостата на другую. К верхнему концу каната сверх усилия, равного статическому, сообщается импульсами ускоряющее усилие, которое будет вызывать в канате колебания за весь период ускоренного движения. Очевидно, что в первом случае управления колебания будут незначительными, во втором же случае (при контак-торном управлении) будем иметь благоприятные условия для создания значительных амплитуд колебаний.
Анализ виброграмм, наблюдения, непосредственное изучение и анализ имевших место аварий, а также статистические материалы о длительности и работоспособности канатов на подъемных установках с жидкостными реостатами и контакторным управлением приводят к таким выводам [1,2]:
а) средний срок службы канатов по времени при контакторном управлении, по данным о 60 канатах, ниже на 30°/0, чем в установках с жидкостным реостатом;
б) работоспособность каната в тех же случаях на 20°/о ниже;
в) число порванных проволок при контакторном управлении бывает больше, что и служит причиной замены каната;
г) проверочные расчеты аварийных случаев указывают, что при контакторном управлении дополнительные усилия, зависящие от фактора управления, составляют 40—50°/0 от статической силы.
Влияние фактора управления на канат и элементы машины, насколько известно, не изучалось и ставится впервые.
В первом приближении на основании указанных данных предлагается принять:
1) для установок с асинхронным приводом и жидкостным реостатом, а также для системы Леонарда
(20)
2) для установок с металлическим реостатом контакторного управления или с барабанным /он юллером
К\пр =0.5. (21)
Общий нагрузочный коэффициент
На основании изложенного, для различных способов управления, а также в зависимости от типа сосудов, можем составить таблицу предлагаемых значений нагрузочного коэффициента. Эти данные приводятся в табл. 5.
Дополнительные динамические усилия
Кроме указанных основных усилий, действующих на канат во время нормального цикла подъемной операции, могут иметь место факторы, ко-' торые вызывают дополнительные напряжения в канате.
К ним относятся резонансные явления в канате, динамические нагрузки при рабочем и предохранительном торможении, колебания при загрузке скипа или висящей на канате клети и удары при застревании в разгрузочных кривых или в стволе.
А7уПР =0.1,
4* Изв. ТПИ, т. 67
Таблица 5. Значения нагрузочного коэффициента
Тип электропривода Тип сосуда Частные нагрузочные коэффициенты Общий К нагр
Лконц К кан 1 Яизг Ккол /f уп
Асинхронный с металлическим реостатом (контакторы или барабанный контроллер) или паровая машина..... а) клети (с кулаками) 1.05 0.3 0.5 0.9 0.5 3.25
б) скипы и клети с качающимися площадками 1.1 0.3 0.5 0.5 0.5 2.9
Асинхронный с жидкостным реостатом или система Леонарда . . в) клети 1.05 0.3 ! 0.5 1 0.9 0.1 2.85
г) скипы 0.3 0.5 0.5 1 0.1 | 2.5 1
Резонансные явления в канате могут возникнуть при длительном совпадении периода собственных колебаний с периодом внешней по отношению к канату силы.
Можно показать, что период собственных колебаний каната за цикл подъемной операции, изменяясь по закону параболы, для обычных глубин находится в пределах от 3 сек. до 0.3 сек. В самом деле, период собственных колебаний каната
т=2ж , / Qo^ (22)
У gcK.S
или
_* _ . (22') S • gEK
Если подставить значение —^—= 1600, ^ = 981 и £,К = 0.8Ч06, то по *
S
лучим уравнение параболы
г _ 2 7Г1 / Дм) 1600 • 100 = V ИЫ] /22")
V 981 * 0.8 106 11
Для //=1000 м и 10 м получим соответственно—7^000 = 2.88 сек. и Гю = 0.288 сек.
Отсюдк видно, что для создания условий резонанса внешняя причина должна изменяться по такому же закону параболы хотя бы на части участка. Эксцентричности на шкивах и цилиндрических барабанах меняются по линейному закону и резонансных явлений вызвать не могут. Резонансные явления могут возникнуть только в частных случаях конических и оицилиндри-ческих барабанов, на части участка органа навивки, когда линейьая скорость каната может также изменяться по закону параболы [4].
Таким образом, резонансные колебания в канатах могут возникать лишь в частных случаях и не являются общим явлением, вследствие чего вводить их в общую расчетную формулу нет оснований.
Напряжения, возникающие в канате при рабочем и предохранительном торможении, подробно рассмотрены в докладе А. С. Ильичева [8].
На основании испытаний автором большого числа тормозов подъемных установок, результаты которых частично опубликованы [2], установлено, что тормозной момент предохранительных пневматических и масляных тормозов возрастает до номинального значения плавно в течение 0.6—0.8 сек. и лишь в простых грузовых тормозах это время наименьшее—около 0.3 сек., причем в последнем случае наблюдаются наибольшие колебания в характеристике тормозного момента.
Таким образом, верхняя часть каната при предохранительном торможении останавливается не мгновенно, а в течение довольно значительного времени.
Экспериментальные данные устанавливают величину напряжения при торможении до 2. 28 раза большую, чем напряжение от статической силы [8].
Как видно, величина этих напряжений значительно меньше напряжений при пуске и поэтому в расчет вводиться не должна, так как одновременное их действие исключается. В таком же виде представляются напряжения при загрузке скипа падающим из дозатора полезным ископаемым в висящий на канате скип или при постановке вагонетки в клеть.
Что касается ударных приложений силы к канату при застревании сосуда в стволе или в разгрузочных кривых, то таковые, как имеющие аварийный характер, в расчет вводиться не могут.
Коэффициент износа каната
Износ каната тесно связан со сроком его работы. Установлено [10], что агрегатная прочность каната пропорциональна износу. Износ поверхностных проволок свыше половины их диаметра ведет к быстрому их порыву, и эта степень износа должна считаться предельной. Число поверхностных проволок составляет для конструкции каната 6 X 19 —}— 1—63%, а для конструкции 6X37-f-l—49% от общего числа проволок. Таким оброзом по фактору износа от истирания проволок можно считать для первой конструкции
АГизн = 1-3, а для второй—1.25.
В действующих нормах расчетного и предельного запасов прочности коэффициенты общего износа приняты:
а) для клетевых установок—1.25;
б) „ для скиповых „ 1.30.
Эти значения необходимо принять для расчета.
Следует лишь отметить, что степень износа каната находится в тесной связи с оптимальным сроком службы каната и зависит от многих факторов условий эксплоатации.
Коэффициент запаса прочности
По определению
К23П (23)
°доп
где — 5Вр —временное сопротивление матергала каната, а а о» — допустимое напряжение.
Временное сопротивление проволок каната установлено нормами и для подъемных канатов наших заводов составляет 130—160 кг1мм2 [9]. В ближайшие годы эта норма, очевидно, будет повышена до 180 кг/ми2. Если в отношении временного сопротивления разрыву проволок имеется достаточ ная определенность, то этого нельзя сказать в отношении допустимого напряжения.
Вследствие того, что канат подвергается действию сил, имеющих характер периодических повторно-кратковременных нагрузок, допустимое напряжение должно быть ограничено напряжением на усталость (выносливость) металла. Прямых опытов по выяснению усталостных характеристик проволок нет. Опыты В е р н л е [3] указывают, что канат имеет критическую нагрузку, превышение которой, хотя бы в пределах прочности каната, значительно сокращает срок его работы. Видимо, это надо понимать таким образом, что предел усталостных напряжений находится ниже предела упругих деформаций.
В свое время академик М. М. Федоров на основании литературных данных установил для коэффициента запаса по выносливости каната значение 2.12—1.26 [8].
Анализируя вышеприведенную табл. 5, можно заключить, что наибольшие колебания нагрузочной силы, зависящей от нагрузочных коэффициентов Ккол и ¿Гупр имеют место в клетевых подъемах, управляемых метал* лическим реостатом при асинхронном приводе, и наименьшие—при жидкостном реостате и скиповом (грузовом) подъеме. В таком же соотношении, надо полагать, должны находиться допустимые напряжения на усталость.
В силу принятой методики расчета, представляется правильным считать коэффициент запаса одинаковым как для нового, так и для старого каната.
На основании весьма неполных данных по этому вопросу, можно говорить только об ориентировочных значениях этого коэффициента, классифицируя его в зависимости от величины динамической составляющей нагрузок на канат, а именно, принять согласно табл. 5:
1) для типа сосуда а) табл. 5—/Сзап = 2.3
2) „ „ б) „ , 2.1
3) п *' * в) » » п 2.2
4) „ „ г) „ „ , 2.0
Общий коэффициент запаса
*
Расчетный общий коэффициент запаса для разных типов сосудов и способа их управления приводится в табл. 6.
Таблица 6. Общий коэффициент запаса
Тип сосуда и способ управления Нагруз. коэф. Янагр Коэф. износа Я"изн Запас прочности /Сзап Общий т общ Расчетный /Прасч Браковочный Шр
а) Клети, контакторное управление ..... 3.25 1.25 2.3 9.35 9.5 7.6
б) Скипы, контакторное управление . . . . . 2.9 1.3 2.1 7.9 8.0 6.2
в) Кдетн, жидк. реостат или система Леонарда 2.85 1.25 2.2 7.83 8.0 6.4
г) Скипы 2.5 1.3 2.0 6.5 6.5 5.0
Последние два столбца принимаются—первый как расчетные коэффициенты запаса каната, а второй—как предельные браковочные коэффициенты, но достижении коих канат должен быть заменен, как не имеющий запаса на износ.
Для оценки полученных коэффициентов запаса произведем сравнение их с принятыми запасами прочности по статической нагрузке.
Сравнение коэффициентов запаса
Для того, чтобы сравнить коэффициенты запаса каната, необходимо исключить из нагрузки вес каната, который оценен постоянным нагрузочным коэффициентом /иан = 0.3. Тогда получим табл. 7.
Таблица 7. Сравнение расчетных и браковочных условных запасов прочности каната по концевой нагрузке с принятыми по ПТЭ по статической силе
Нагруз. Коэф. износа Кп Коэф. запаса Л*зап Расч. запас. /Ярасч Браковочный тбр По ТПЭ Резуль-
Тип установки Реостат козф. (без веса каната) Расч. ш'расч Брак т'в Р тат в °о «Р.. 100 т р
а) клети метал. 2.95 1.25 2.3 8.5 6.8 7.5 6.0 113
6) скипы »» 2.6 1.3 2.1 7.1 5.46 6.5 5.0 109
в) клети жидкостный 2.55 1.25 2.2 7.0 5.6 7.5 6.0 93
г) скипы 2.2 1.3 2.0 5.72 4.4 6.5 5.0 88
Из таблицы следует, что в установках с металлическими реостатами канат имеет недостаточный запас на 10—15%, а в случаях установок с жидкостными реостатами—излишний запас на 7—12°/0.
Объяснение результатов сравнения, приведенных в табл. 7, может быть двояким: а) принятые частные коэффициенты в первом случае велики, а во втором—малы, б) принимаемые по ПТЭ запасы для клетевых и скиповых установок с металлическими реостатами малы.
Что касается принятого значения частных коэффициентов, а в особенности характеризующих динамические силы в канатах—от колебаний при пуске, зависящих от управления, а также запаса прочности, обусловленного допустимыми напряжениями на усталость, то, несомненно, они требуют теоретического экспериментального и эксплоатационного уточнения. Мы склонны думать, что уточнение этих коэффициентов будет итти по пути сниже ния численного значения против принятых. Однако эти уточнения едва ли изменят место принятых четырех типов установок.
Второе объяснение, что принимаемые запасы для первых двух типов установок действительно недостаточны, убедительно подтверждается данными эксплоатации. В условиях эксплоатации недостаточный запас будет вызывать усиленный износ каната и уменьшение срока его службы.
Убедительным фактом в этом отношении являются две установки в Кузбассе с восьмитонными скипами, работающие в одном стволе, имеющие одинаковые диаметры барабанов 4 ж и одинаковую конструкцию канатов— ■ 6 X 37 —1 и диаметры 47 мм, неуправляемые—южный жидкостным реостатом, а северный—имеющий контакторное управление. Эксплоатационные результаты работы этих установок за последние пять лет приведены в табл. 8.
Рассмотрение приведенных в табл. 8 данных говорит о том, что значительное увеличение всех эксплоатационных показателей для подъемной установки с жидкостным реостатом (южный подъем) обязано меньшим результирующим напряжением в канате.
Для южной подъемной установки достаточен канат, имеющий диаметр не 47 мм, а 43 мм, в то время как для северной (с контакторным управлением) к уменьшению диаметра каната оснований нет.
Таблица 8
Показатель Южный Северный В о/0
подъем подъем
Средний срок службы канатов (в месяцах) 22.5 14.5 155
' Средняя работа каната в т-км (по полез- 85000
104500 123
Работоспособность каната в т-км на 1 кг 180 150 120
веса каната по полезному грузу . • ....
Расчетный запас прочности канатов по ста- 7.0 7-0 —
тической нагрузке........„ . . . . 7.85 7.85
—
fa1== 0027' а', = 0°25'
{а0 — 0°40' а\ — 0019'
Пример сравнительного расчета предлагаемым методом иг
существующим
Для скиповой установки, имеющей QH — 6 т и Н0 = 600 м необходимо рассчитать канат для двух случаев: вариант а) при асинхронном электроприводе с жидкостным реостатом и б) с контакторным управлением. Мертвый вес скипов 6 m, Dt = Ошк = 4 м.
Вариант a). CW = 6.5' 12000 = 78000 кг.
Подходящий канат конструкции 6X19-J-1, диаметром 37 мм, имеющий Qpa3p = 82.500 кг (при авр=160 кг/мм2) и р — 4.6 кг]м. Расчетный коэффициент запаса будет
82500 я
/Прасч —-— О. СО.
Р 12000
Вариант б). Qpasp = 8е 12000 = 96000 кг.
Подходящий канат конструкции 6 X 19 -р 1, диаметром 40 мм, р = 5.4 кг/м и Qpa3p = 96800 (при овр = 160 кг!ммТ). Расчетный коэффициент запаса
96800
/710асч —-— O.UO.
Р 12000
При расчете по концевой нагрузке необходим канат конструкции 6 X 37 —f- 1, с диаметром 43 мм, р = 6.2 кг'м, имеющий Qpasp = 112000 кг При этом
_ 112000 _71Q •^расч — — /. 10.
12000 + 3720
Веса канатов при конструктивной длине в 700 м будут такими: Варианты: а)—3220 кг, б)—3780 кг и в последнем случае 4340 кг. Отношение их весов 100:117:135.
Результаты расчета для других высот подъема и типов сосудов приводятся в табл. 9 для скиповой и в табл. 10 для клетевой установок.
Обзор результатов расчета
Для каждого типа установки и способа управления приведены расчетные запасы прочности как по статической силе, так и по концевой нагрузке. Полученные запасы прочности показывают, что при расчете каната по
Таблица 9. Результаты расчета А. Скиповая установка: (^=6000, Ом = 5000, <50=12000 кг
Еди- Высотачподъема м
Способ Название расчетного ница
управления элемента изме- 300 600 1000
рения
1. Расчет по концевой
Жидкостный нагрузке
реостат 6X19+1
мм 37 37 37
Вес .. .......... кг/м 4.6 4.6 4.6
Разрывное усилие ...... т 82.5 82.5 82.5
Расчетный запас по конце в.
нагрузке .......... 6.88 6.88 6.88
Тоже по статич. силе ..... 6.16 5.6 4.97
Металличе- 6X19 + 1 40
ский реостат мм 40 40
Вес ............. кг/м 5.4 5.4 5.4
Разрывн. усилие....... т 96.8 96.8 96.8
Расчетн. запас по концевой
нагрузке....... . , . . 8.06 8.06 8.06
7.1 6.35 5.55
От способа 2. Расчет по статической
управления силе
не зависит 6X19+1 6X37+1 6X37+1
мм 40 43 47
Вес ............ кг/м 5.4 6.2 7.2
Разрывн. усилие....... т 96.8 112.0 135
Расчетн. запас по кониевой нагр 8.06 9. 5 11.25
Тоже по статич. силе ..... 7.1 7.13 7.04
Отношение расчетных Весов 1 ! 100:117:117 100:117:135 100:117:15^
канатов ........... 1 1
Таблица 10. Б. Клетевая установка: Он =2000, Ом = 5000, 0о = 7000 г
Еди- Высота подъема м
Способ Название расчетного ница
равления элемента изме- 300 600 1000
рения 1
1. Расчет по концевой
наг рузке 1
Жидкостный Конструкция ......... 6Х19 + 1 31
реостат мм 31 31
Вес ........... кг/м 3.2 3.2 3.2
Разрывное усилие т 57.2 57.2 57.2
Расчетный запас по концев.
нагрузке....... . . 8.18 8.18 8.18
Тоже по статической силе . • 7.19 6.4 5.6
Металличе- 6У 19 + 1
ческий рео- мм 34 34 1
стат Вес............. кг/м 3.9 3.9 3.9
т 69.3 69.3 | 69.3
Расчетн. запас по концев.
нагрузке ........... 9.9 9.9 9.9
Тоже по статической силе . • 8.5 7.45 6.36
Способ управления Название расчетного элемента Единица измерения Высота подъема м
300 600 1000
От способа управления не зависит 2. Расчет по статической силе Вес . ........... Разрывн. усилие . . . . • . . Расчетн. запас по концев. нагрузке........... Тоже по статической силе • . мм кг\м т 6X19+1 34 3.9 69.3 9.9 8.45 6X19+1 37 4.6 82.5 11.8 8.5 6X37+1 39 5.0 90.4 12.9 7.52
Отношение расчетных весов канатов ........... 100:122:122 100:122:143 100:122:156
Примечание: За 100% принят вес каната при управлении жидкостным реостатом.
концевой нагрузке запас прочности с увеличением высоты подъема уменьшается. Аналогичный метод расчета был предложен Bora ном [8], который назвал запас прочности по концевой нагрузке коэффициентом использования каната. Однако, в предложенном нами методе общий коэффициент запаса не остается одинаковым для данного типа подъемной установки, а зависит еще от способа управления машиной, что значительно отличает данный метод от ранее предложенных.
Отношение весов канатов, приведенное в конце каждой таблицы, показывает, что при расчете канатов по предлагаемому методу получается значительная экономия металла не только для больших высот подъема (глубоких шахт), но и для наиболее распространенных шахт мелких и средних.
Выводы и предложения
1. Предложенный метод расчета канатов по нагрузочным коэффициентам я концевой нагрузке обладает следующими преимуществами:
а) в расчет вводятся основные факторы, создающие усилия в канате;
б) введен новый расчетный фактор, зависящий от способа управления двигателем, названный нагрузочным коэффициентом управления;
в) с расчетной стороны метод прост.
2. Применение нагрузочных коэффициентов дает возможность более правильной оценки работы каната в данных конкретных условиях, так как удельный вес каждого из нагрузочных коэффициентов в значительной мере зависит от местных условий эксплоатации.
3. Расчет по нагрузочным коэффициентам и концевой нагрузке дает значительную экономию ценного металла. Значимость данного метода будет особенно важной при дальнейшем Повышении качества металла и улучшении технологии изготовления канатов.
4. Численное значение введенных коэффициентов подлежит дальнейшему уточнению. Принятые величины, как предварительные, брались наибольшими из полученных экспериментально или теоретически, а это дает основание считать, что дальнейшее уточнение должно дать их снижение.
ЛИТЕРАТУРА
1. Б а л а ш е в И. А—О реостатах для рудничных подъемных установок, ТПИ , Томск, 1948.
2. Балашев И. А,—Экспериментальное исследование тормозов подъемных машин, ж урн. „Уголь" № 11, 1940.
3. Вапна М. Л.—Испытание проволочных канатов, ОНТИ, М.—Л.> 1932.
4. Д инн и к А. М,—Резонанс в канате при бицилиндрических барабанах, Горный журнал № 12, 1932.
5. Ильичев А. С.—Рудничные подъемные установки, 1933.
6. Ильичев А. С.—Реконструкция и дальнейшее развитие шахтного подъема, журн „Уголь" № 11, 1945.
7. Правила технической эксплоатации угольных шахт, НКУП, Гостоптехиздат, М.-Л., 1941.
8. Труды совещания по шахтным подъемным канатам, доклад И льичева А. С. ИГ Д АН СССР, М.—Л., 1944.
9. Труды совещания по реконструкции производства шахтных канатов в СССР, доклад Нестерова П. П. ИГД АН СССР, 1944.
10. Цветков В. А.—Проволочные канаты и их работа на шахтном подъеме, Труды МакНИИ, том II—ОНТИ, 1935.
