Введение к работе
Актуальность темы. Добыча и переработка полезных ископаемых продолжают оставаться одним из основных направлений экономического развития Российской Федерации. Техническое состояние горно-шахтного оборудования и эффективность его эксплуатации оказывают определяющее влияние на деятельность отдельных предприятий и горнодобывающей отрасли в целом. Ключевая роль в успешной деятельности горного предприятия принадлежит шахтным подъёмным установкам (ШПУ), с помощью которых обеспечиваются выдача полезного ископаемого, перемещение людей и грузов. От надежности работы этого важнейшего звена технологической цепи зависит бесперебойность работы всего горнодобывающего предприятия, а практически любая аварийная ситуация на подъёме ведет к остановке предприятия.
В последние годы парк шахтных подъёмных машин сильно состарился. Срок службы большинства из них превышает 25 лет. Такой же срок службы имеют привод шахтных подъёмных машин, система управления этим приводом, оборудование шахтного ствола, стволовая сигнализация и другие жизненно важные элементы шахтных подъёмных установок.
В этих условиях актуальной является задача повышения эффективности эксплуатации шахтных подъёмных установок обеспечением их безопасной эксплуатации при наибольшем использовании ресурса подъёмных машин и других элементов подъёмных установок. Решение этой задачи возможно за счет применения современных аппаратно-программных комплексов контроля состояния оборудования шахтных подъёмных установок, обеспечивающих оперативную техническую диагностику и позволяющих в режиме реального времени оценивать возможность безаварийной эксплуатации шахтных подъёмных установок. Для успешного внедрения таких комплексов необходимо разработать требования к системам непрерывного контроля параметров шахтных подъёмных установок.
Среди основных элементов шахтного подъёма, от надежности которых зависит безопасность его эксплуатации, являются подъёмные канаты. Одноканатные ШПУ большой производительности оснащены подъёмными канатами с разрывным усилием более 3 600 кН. Они поднимают скипы с грузом общей массой до 52 т.
Применение канатов современных конструкций, разработка мероприятий по обеспечению их безопасной эксплуатации при наибольшем использовании их ресурса позволяют повысить эффективность работы шахтных подъёмных установок. В диссертации приведены результаты работы автора по обеспечению безопасной эксплуатации шахтных подъёмных установок, подъёмных канатов, внедрению систем контроля режимов работы, обеспечению ревизии и наладки на современном уровне.
Диссертационная работа основана на исследованиях, проведенных под руководством автора в 1981–2013 гг. в Пермском государственном техническом университете (теперь – ПНИПУ) по хозяйственным договорам с ОАО «Уралкалий» и ОАО «Сильвинит», а также в соответствии с соглашением с Минобрнауки РФ № 14.В37.21.1097 от 13.09. 2012 г о предоставлении гранта в форме субсидии на проведение научных исследований в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг.
Объект исследования – одноканатные шахтные подъёмные установки большой производительности.
Целью работы является повышение срока службы канатов и эффективности эксплуатации шахтных подъёмных установок на основе разработки научных основ, приборной базы, нормативной документации и комплекса организационно-технических мероприятий.
Идея работы заключается в использовании возможностей непрерывного контроля в режиме реального времени параметров работы шахтных подъёмных установок и динамических процессов в их элементах при разработке приборной базы, нормативной документации, организационно-технических мероприятий для надежного обеспечения эффективности и безопасности эксплуатации шахтных подъёмных установок.
Методы исследований включают критический анализ практического опыта эксплуатации ШПУ, постановку и проведение теоретических и экспериментальных исследований, базирующихся на применении основных положений математики, физики и механики, проектирование приборной базы и средств ее использования, формулирование основных требований нормативной документации и организационно-технических мероприятий.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Нормы браковки по потере сечения грузовых шахтных подъемных канатов с металлическим сердечником могут быть увеличены с 15 до 20 % без снижения безопасности их эксплуатации.
2. Амплитуда поперечных колебаний струны каната прямо пропорциональна величине замедления предохранительным торможением и достигает максимальных значений при совпадении частот свободных продольных колебаний сосуда на канате и поперечных колебаний струны каната после остановки органов навивки машины.
3. Повышение срока службы подъемных канатов шахтных подъёмных установок может быть достигнуто путем наладки тормозной системы на минимально допустимые замедления при торможении, сокращения количества срабатываний предохранительного тормоза, устранения пульсирующего характера истечения руды при загрузке сосудов.
4. Оценку влияния динамических нагрузок на долговечность подъёмных канатов на действующих подъёмных установках следует основывать на исходных данных, полученных аппаратно-программным комплексом, устанавливаемом на подъёмном сосуде.
5. Разработанные средства непрерывного контроля параметров шахтных подъёмных установок могут обеспечить повышение интенсивности их работы.
6. Защита от зависания скипов в разгрузочных кривых и напуска каната в ствол эффективно может быть обеспечена методом тензометрии деформации балок металлических шахтных копров.
Научная новизна работы
-
На основе статистической обработки результатов наблюдений за эксплуатацией шахтных подъёмных канатов с 1990 по 2012 г. установлены основные причины выхода канатов из строя и снятия их с эксплуатации.
-
Исследованы факторы, оказывающие наибольшее влияние на долговечность канатов, и обоснована возможность увеличения их срока службы.
-
Установлены закономерности совместных продольных колебаний сосуда на канате и поперечных колебаний струны каната при предохранительном торможении, на основании которых предложен и разработан метод определения зоны максимальных поперечных колебаний струны подъёмного каната.
-
Разработана математическая модель подъёмной установки, учитывающая ее текущие фактические параметры и обеспечивающая контроль динамических процессов в режиме реального времени.
-
Исследовано влияние динамических нагрузок при предохранительном торможении и при загрузке сосуда пульсирующим потоком на долговечность подъемного каната. Установлено, что в среднем воздействие одного предохранительного торможения на канат соответствует воздействию 160 циклов подъема груза.
-
Экспериментально установлена зависимость деформации элементов металлического копра подъёмной установки от натяжения подъёмных канатов и обоснована возможность реализации защиты от напуска каната в стволе методом тензометрии.
-
Обоснована технико-экономическая целесообразность применения средств контроля параметров шахтных подъёмных установок для повышения эффективности их эксплуатации.
Практическое значение работы
-
Разработаны мероприятия по увеличению срока службы канатов и исключению их повреждения в процессе эксплуатации с учетом накопленного опыта эксплуатации канатов различной конструкции и различных производителей.
-
Разработаны рекомендации по исключению опасных поперечных ударов подъёмного каната об элементы конструкций копра и здания подъемной машины.
-
Внедрены в практику проектирования и эксплуатации шахтных подъёмных установок разработанные технологические регламенты их эксплуатации, инструкции по эксплуатации подъёмных канатов, методические указания по проведению испытаний стальных канатов и экспертизы промышленной безопасности подъёмных сосудов шахтных подъёмных установок.
-
На основании сформулированных требований к регистраторам параметров шахтных подъёмных установок осуществляется серийный выпуск типоряда регистраторов РПУ-03.х. Экономический эффект от внедрения регистратора параметров РПУ-03.5 на одной скиповой подъёмной установке ствола №1 рудника СКРУ-3 ОАО «Уралкалий» составил 13,3 миллиона рублей в год.
-
Для снижения количества повторных срабатываний предохранительного тормоза разработан и внедрен в практику работы подъемных установок анализатор защит АнЗ-3, являющийся элементом регистраторов параметров РПУ-03.х.
-
В практику деятельности наладочных организаций внедрена аппаратура «Силькан», обеспечивающая повышение точности измерений, оперативную обработку информации и документирование при проведении ревизии, наладки и испытания тормозной системы и привода шахтных подъёмных установок.
-
Разработана аппаратура контроля натяжения канатов шахтной подъемной установки «Тулым», обеспечивающая защиту от напуска каната в ствол и защиту от зависания скипов в разгрузочных кривых.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием методов классической механики при математическом моделировании и современных средств измерения при проведении экспериментальных исследований, большой практикой эксплуатации шахтных подъёмных установок с применением разработанных приборов контроля их параметров и нормативных документов. При этом относительная ошибка экспериментальных данных не превышает 7-9% при 90%-м уровне сходимости экспериментальных данных с расчетными.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы положены в основу разработки и внедрения следующих серийно выпускаемых приборов безопасности:
– регистраторы параметров подъёмной установки РПУ–03.х общим числом 220 штук смонтированы и находится в эксплуатации на шахтных подъёмных установках 24 предприятий России, Казахстана и Белоруссии (разрешение Ростехнадзора № РРС 00–39112);
– аппаратура «Силькан» внедрена в практику проведения ревизии, наладки и испытания шахтных подъёмных установок 10 предприятий России, Казахстана, Белоруссии и Украины (разрешение Ростехнадзора № РРС 00–39113);
– разработана аппаратура контроля натяжения канатов шахтной подъемной установки «Тулым», обеспечивающая защиту от напуска каната в ствол и защиту от зависания скипов в разгрузочных кривых (разрешение Ростехнадзора № РРС 00-049481). Аппаратура внедрена на двух подъёмных установках.
Основные положения диссертационной работы реализованы при разработке следующих нормативных документов: «Инструкция по эксплуатации канатов в шахтных стволах калийных рудников ОАО «Уралкалий», «Методические указания по проведению экспертизы промышленной безопасности сосудов шахтных подъёмных установок (РД-15-05-2006), «Методические указания о порядке проведения испытаний стальных канатов на канатно-испытательных станциях (КИС) (РД-15-12-2007), «Технологический регламент эксплуатации шахтных подъемных установок и стволов ОАО «Сильвинит».
Результаты диссертационной работы реализованы в практике эксплуатации шахтных подъёмных установок в России, Казахстане и Белоруссии, при пуске в эксплуатацию, ревизии и наладке шахтных подъёмных установок, при проведении экспертизы промышленной безопасности. Учебное пособие «Расшифровка и анализ записей регистраторов параметров шахтных подъёмных установок» предназначено для студентов технических вузов специальностей 150402 «Горные машины и оборудование» и инженерно-технических работников горнодобывающих предприятий, наладочных и ремонтных организаций.
Апробация работы
Диссертационная работа и основные ее положения изложены, обсуждены и получили одобрение на научно-технических конференциях Пермского политехнического института (г. Пермь, 1979 – 1984 , 1991 гг.), Пермского государственного технического университета (г. Пермь, 1995, 1996, 1998, 2001 – 2004, 2007 – 2011 гг.), научно-технических конференциях и семинарах Горного института УрО РАН, (г. Пермь, 1995, 1997, 1999, 2004 гг.), международных научно-технических конференциях «Неделя горняка» Московского государственного технического университета (г. Москва, 2000 – 2013 гг.), международных научно-практических конференциях группы предприятий «Западно-Уральский машиностроительный концерн» (г. Пермь 2005, 2009, 2011, 2012 гг.), научно-технических конференциях Уральского государственного горного университета (2008 – 2012 гг.), международных научно-технических конференциях и семинарах по проблемам конструирования, производства и эксплуатации стальных канатов Одесского научно-исследовательского отдела стальных канатов (г. Одесса 1990–1993 гг.), Международной ассоциации исследователей стальных канатов (г. Одесса: 2001–2012 гг.), научно-технических конференциях «Технические средства океанического промышленного рыболовства» в Севастопольском кораблестроительном институте (г. Севастополь 1992–1993 гг.), международных научно-практичес-ких конференциях фирмы «МИДИЭЛ» (г. Севастополь 2003, 2005, 2007 гг.), научно-практических совещаниях Ростехнадзора в г. Волгограде (2001 г.), в г. Челябинске (2005 г.), в г. Новосибирске (2007 г.) в г. Перми (2008 г.), совещании Западно-Уральского управления Ростехнадзора в г. Березники (2012 г.).
Личный вклад соискателя в работу
Научные обоснования и технические решения, положенные в основу диссертации, а также все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, разработаны и получены лично автором.
Публикации
По теме диссертации опубликована 31 работа, в том числе 18 – в изданиях из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, утвержденного ВАКом, 1 авторское свидетельство и 1 патент, 3 руководящих документа, утвержденных Ростехнадзором.
Структура и объем диссертационной работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка (182 наименования) и 8 приложений. Содержит 203 страниц текста, 14 таблиц и 86 рисунков.
