Повышение эффективности комплексов многоканатных подъёмов с наземным расположением подъёмных машин

Актуальность работы.

Непрерывное увеличение глубины ведения горных работ, углубление шахт и рудников и прямо связанное с этим проектирование все более мощных комплексов многоканатных подъемных установок (МКПУ) приводит к необходимости сооружения все более громоздких и дорогостоящих башенных копров, масса которых составляет уже в настоящее время вместе с фундаментом 6+16 тыс. т и более, а высота достигает 80−120 метров.

Строительство таких сооружений связано с большими капитальными затратами и со снижением уровня безопасности эксплуатации МКПУ, в то время как в мировой практике уже наметилась устойчивая тенденция перехода от башенного к наземному расположению подъемных машин (канатоведущих шкивов трения — КВШ). Однако в отечественном шахтном подъеме основные научно-технические аспекты данной проблемы остаются пока нерешенными, что зачастую сдерживает реализацию этого перспективного направления развития горных предприятий.

При постоянном увеличении в стране числа глубоких карьеров с большой производительностью все более востребованными становятся мощные многоканатные наклонные подъемные установки с наземным расположением подъемных машин. При этом параметры основного подъемного оборудования и, в частности, большегрузных скипов, должны быть соответствующим образом адаптированы к условиям таких схем. Поэтому возникает задача научной проработки и всестороннего обоснования основных конструктивных параметров большегрузных скипов карьерных многоканатных подъемных установок с наземным расположением канатоведущих шкивов трения.

Установленные в настоящее время нормативные сроки службы шахтных подъемных машин не отражают их фактической нагруженности, интенсивности и условий эксплуатации и, по существу, носят директивный характер, что негативно влияет на общий уровень безопасности эксплуатации этих потенциально опасных объектов. Назрела необходимость в дифференцированной и всесторонне обоснованной оценке нормативных сроков службы подъемных машин с учетом всего многообразия нагруженностей, интенсивностей и условий их эксплуатации.

Эти задачи, поставленные в настоящей диссертационной работе, являются актуальными, особенно в плане дальнейшего развития отечественной науки и практики в области шахтных и карьерных подъемных установок.

Объект исследования — комплексы многоканатных подъемных установок шахт и карьеров с наземным расположением подъемных машин.

Предмет исследования — закономерности формирования нагрузок основных элементов многоканатных подъемных установок.

Цель работы — повышение эффективности работы комплексов многоканатных подъемных установок с наземным расположением подъемных машин.

Идея работы — заключается в адаптации параметров схем и оборудования многоканатных подъемных установок шахт и карьеров к наземному расположению канатоведущих шкивов трения.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Наземное расположение многоканатных подъемных машин при рациональной компоновке позволяет увеличить тяговую способность и динамический коэффициент безопасности против скольжения по сравнению с их башенным расположением.

2. Нагруженность коренных валов наземных многоканатных подъемных машин уменьшается с увеличением углов наклона струны канатов к горизонту. При рациональном выборе параметров наземного расположения канатоведущих шкивов возможно уменьшение в 1,5.1,7 раза изгибных напряжений коренных валов по сравнению с их башенным расположением и, соответственно, уменьшение массы подъемной машины и копра.

3. Основные конструктивные размеры большегрузных скипов карьерных наклонных многоканатных подъемных установок с наземным расположением КВШ должны определяться с учетом наименьших ударных нагрузок при загрузке и максимальных значений коэффициента заполнения кузова скипа.

4. Определение нормативного срока службы подъемных машин должно устанавливаться на стадии рабочего проектирования подъемных установок с учетом планируемой нагруженности, интенсивности и условий эксплуатации.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

1. Обоснована технико-экономическая целесообразность перехода от башенного к наземному расположению многоканатных подъемных машин.

2. Выполнен анализ особенностей динамики многоканатных подъемных установок с наземным расположением канатоведущих шкивов.

3. Исследовано влияние величины провиса струны канатов на тяговую способность наземных подъемных шкивов трения.

4. Разработана методика оптимизации параметров большегрузных скипов карьерных наклонных подъемников.

5. Выполнено экспериментальное исследование нагруженности конструкций большегрузных скипов карьерных наклонных подъемников.

6. Сформулированы теоретические основы определения общего и остаточного ресурсов основных деталей подъемных машин.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что в ней:

1. Разработана методика расчета нагрузок на основные элементы наземных многоканатных подъемных установок.

2. Дан сравнительный анализ нагружения канатоведущих шкивов при их башенном и наземном расположении.

3. Предложены схемы наземных многоканатных карьерных подъемных установок.

4. Разработана методика расчета оптимальных конструктивных параметров большегрузных скипов наклонных карьерных подъемников.

5. Разработаны конструкции большегрузных скипов наклонных карьерных подъемников.

6. Предложена методика прочностных расчетов кузова большегрузных скипов наклонных карьерных подъемников.

7. Разработана методика определения общего и остаточного ресурсов многоканатных подъемных машин, предложен подход к обоснованию их нормативных сроков службы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением корректных методов математического и физического моделирования, базируется на основных положениях классической механики, теории устойчивости, теории колебаний, а также на апробированных методах экспериментальных исследований и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследованийпри этом относительная ошибка экспериментальных данных не превышает 1+9% при 90%-м уровне сходимости экспериментальных данных с расчетными.

Реализация результатов. Результаты работы использованы в технико-экономических обоснованиях и рабочих проектах клетевого и скипового многоканатных подъемов с наземным расположением подъемных машин на шахте «Новая» ОАО «Гайский ГОК», при реконструкции барабанной подъемной установки на шахте «Клетевая» ОАО «Гайский ГОК» с её заменой на многоканатную с наземным расположением машины, при проведении экспертизы промышленной безопасности шахтных подъемных установок в ЗАО Центр диагностики и экспертизы «Цветметналадка», а также в учебном процессе кафедры горной механики Уральского государственного горного университета. Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на 4 международных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ), на 5 конференциях Уральской горнопромышленной декады (Екатеринбург, УГГУ), на 2-х Международных научно-технической конференциях «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (Екатеринбург), на международной конференции «Динамика горных машин», г. Гливице, Польша.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 31 работа Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка (123 наименований) и 3 приложений. Содержит 205 страниц текста, 35 таблиц и 51 рисунок.

6.5 Выводы по разделу.

1. Рассмотрены вопросы реализации результатов диссертационной работы в рабочем проекте наземной клетевой многоканатной подъемной установки на шахте «Новая» ОАО «Гайский ГОК» (расположение КВШ относительно копра шахты, параметры кинематики и динамика установки и др.).

2. Рассмотрены вопросы реализации результатов исследований в рабочем проекте двухскиповой наземной многоканатной подъемной установки на шахте «Новая» ОАО «Гайский ГОК» (расположение КВШ относительно копра шахты, параметры кинематики и динамики установок и др.).

3. Рассмотрены вопросы реконструкции одноканатной барабанной подъемной установки с машиной 2Ц5×2,4 на шахте «Клетевая» ОАО «Гайский ГОК» посредством ее замены на наземную многоканатную 4К3316 производства фирмы INCO, Чехия.

4. Разработана методика определения общего и остаточного ресурсов многоканатных подъемных машин, положенная в основу РД «Методические указания по определению остаточного ресурса шахтных подъемных машин, работающих с превышением расчетного срока эксплуатации». Указания согласованы Управлением Государственного надзора РФ, письмо № 13−07/1607 от 04.07.2008 г.

5. Методические указания по оценке остаточного ресурса ШПМ прошли проверку на 22 подъемных установках различных типов и внедрены в ЗАО Центр диагностики и экспертизы «Цветметналадка».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации, являющейся законченной научно-квалификационной работой, на основании выполненных автором исследований в области многоканатных подъемных установок шахт и карьеров, дано техническое решение крупной научной проблемы — повышение экономичности и безопасности эксплуатации комплексов многоканатных подъемных установок горных предприятий с наземным расположением подъемных машин на основе адаптации параметров схем и оборудования к наземному расположению канатоведущих шкивов, что вносит значительный вклад в развитие теории и практики отечественного шахтного подъема.

Выполненные исследования дают основание сделать следующие выводы и обобщения:

1. Выполнено обоснование технико-экономической целесообразности перехода от башенного к наземному расположению многоканатных подъемных машин. Установлено, что при этом достигается повышение экономичности и безопасности эксплуатации многоканатных подъемных установок.

2. Анализ особенностей динамики многоканатных подъемных установок с наземным расположением канатоведущих шкивов трения, позволил установить, что уравнения динамики таких установок согласуются с аналогичными уравнениями для одноканатных уравновешенных подъемов. При этом установлено, что напряжения от изгиба в сечениях коренных валов КВШ снижаются в 1,52 — 1,65 раза при их наземном расположении. Нагруженность остальных элементов шкивов (оболочек, ребер жесткости, лобовин и ступиц) практически остаются на том же уровне.

3. Предложена схема наземной многоканатной подъемной установки для карьерных наклонных подъемов. Взамен хвостовых канатов для уравновешивания подъема, схемой предусматриваются дополнительные приводные станции.

4. Сформулированы теоретические основы создания оптимальных конструкций большегрузных скипов многоканатных наземных подъемных установок глубоких карьеров значительной производственной мощности. На основе теоретического анализа процесса удара груза по днищу скипа для различных условий и анализа возможных способов разгрузки большегрузных скипов разработана методология их конструктивной оптимизации. Предложены и обоснованы перспективные формы кузова скипов.

5. Разработаны и экспериментально обоснованы оптимальные конструкции большегрузных карьерных скипов, защищенные авторскими свидетельствами СССР. Результаты лабораторного физического эксперимента моделей скипов показали, что фактические напряжения в днище, боковых стенках и задней стенке кузова скипов не превышают допустимых для всех возможных случаев их загрузки.

6. Обосновано представление комплексов подъемных установок шахт и карьеров как сложных систем. Показано, что структуры комплексов подъемов относятся к сложным и сильносвязанным. Установлены возможные траектории развития подъемных установок под воздействием внешних и внутренних дестабилизирующих факторов.

7. Причинно-следственный анализ кризисных ситуаций подъемных установок показал, что характер разрушения базовых структурных единиц подъемных машин (коренные валы, органы навивки, тормозные системы) однозначно свидетельствуют об их усталостной природе. На основе этого разработана методология оценки общего и остаточного (для машин с истекшим нормативным сроком службы) ресурсов подъемных машин. Предложен подход к дифференцированному обоснованию нормативных сроков службы подъемных машин горных предприятий, учитывающему фактические нагруженности и интенсивности эксплуатации машин, а также влияние условий эксплуатации.

8. Осуществлены апробация и внедрение результатов выполненных исследований в рабочем проекте клетевого и скипового подъемов шахты «Новая» ОАО «Гайский ГОК», а также при реконструкции барабанной подъемной установки на стволе шахты «Клетевая» ОАО «Гайский ГОК», заключающейся в её замене на многоканатную машину с наземным расположением. Годовой экономический эффект от внедрения этих результатов составляет 4 100 тыс. рублей.

9. Разработаны Методические указания по оценке общего и остаточного ресурсов шахтных подъемных машин с истекшим нормативным сроком службы. Указания согласованы Управлением Государственного надзора РФ (письмо № 13−07/1607 от 04.07.2008 г.) и внедрены в ЗАО Центр диагностики и экспертизы «Цветметналадка».