Предмет досліджень. Динамічні навантаження при заклинюванні кліті, що піднімається і їхній вплив на несучу здатність конструкцій шахтних копрів.

Методи досліджень. Методи класичної механіки використовувалися для математичного моделювання імпульсивних навантажень від натягу віток піднімального каната. Методи гармонійного аналізу і математичної статистики застосовувалися при обробці даних натурних динамічних іспитів конструкцій шахтних копрів. Методи математичного моделювання з застосуванням методу кінцевих елементів використані для виявлення розрахункових значень особливих навантажень.

Наукова новизна отриманих результатів роботи полягає в наступному:

· уточнено залежності параметрів особливих навантажень конструкцій шахтних копрів від технологічних факторів і умов заклинювання кліті, що піднімається;

· уперше встановлені основні типи сполучень імпульсивних навантажень конструкцій шахтних копрів від віток піднімального каната при заклинюванні кліті, що піднімається;

· для сталевих укісних копрів виконане експериментальне обґрунтування розрахункової схеми динамічної взаємодії з механічною системою шахтної піднімальної установки, а так само визначені їх дисипативні властивості;

· розроблено уточнену методику динамічного розрахунку конструкцій шахтних копрів на особливі навантаження від заклинювання кліті, що враховує динамічну взаємодію спорудження з механічною системою шахтної піднімальної установки і умови виникнення аварії.

Практичне значення отриманих результатів:

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень.

У першому розділі зроблений аналіз сучасних представлень про дійсну роботу і розрахунок конструкцій укісних шахтних копрів на особливі навантаження.

Основні принципи проектування конструкцій шахтних копрів викладені в роботах Я.В. Бровмана, М.М. Жербіна, А. П. Максимова, О.С. Поверського, Г.Л. Розенбліта й ін. авторів. Вивчення цих робіт дозволило зробити наступні основні висновки: визначальне значення при проектуванні конструкцій шахтних копрів мають особливі навантаження від заклинювання судини, що піднімається; відповідно до діючого нормами розрахунок конструкцій на особливі навантаження виробляється за статичною схемою, при цьому в одній з віток піднімального каната зусилля натягу приймається рівним його агрегатної міцності, а в суміжній вітки - подвійному робочому натягу.

Дослідженню дійсної роботи конструкцій шахтних копрів присвячені роботи І.М. Балкарея Є.В. Горохова, В.М. Кущенко, І.С. Найденко, О.О. Нілова, А.І. Татаринова, О.О. Ткача, та ін. авторів. У них відзначаються тяжкі умови експлуатації, а також динамічний характер особливих навантажень. У зв'язку з цим, у роботах І.М. Балкарея, В.М. Левіна, І.С. Найденко, О.С. Поверського, О.О. Ткача розглянуті різні аспекти проблеми динамічного розрахунку шахтних копрів на особливі навантаження. При цьому встановлені діаграми розриву основних типів піднімальних канатів, а так само констатоване значний вплив динамічного характеру особливих навантажень на розподіл внутрішніх зусиль у конструкціях шахтних копрів. Однак у зазначених роботах динамічна взаємодія конструкцій копрів і механічної системи шахтної піднімальної установки в достатній мері не досліджено.

Основні закономірності динамічного поводження механічних систем шахтних піднімальних установок при різних режимах експлуатації досліджені в роботах В.І. Дворнікова, А.Н. Динника, О.С. Локшина, Г.Н. Савіна, М.М. Федорова, Ф.В. Флоринського та ін. авторів. У зазначених роботах відзначається тенденція збільшення навантажень на піднімальні установки і у зв'язку з цим зростаюча роль динамічних явищ. Дослідження в цій області спрямовані на уточнення методів розрахунку шахтних піднімальних канатів, при цьому питання визначення особливих навантажень на конструкції шахтних копрів не розглядалися.

На основі огляду й аналізу літературних джерел по темі досліджень установлено, що існуюча інженерна методика розрахунку шахтних копрів на особливі навантаження від заклинювання кліті, що піднімається має умовний характер і в сучасних умовах вимагає уточнення.

У другому розділі на основі математичного моделювання динамічного поводження механічної системи шахтної піднімальної установки, виконане дослідження імпульсивних навантажень від натягу віток піднімального каната на конструкції шахтних копрів при заклинюванні кліті, що піднімається. Математична модель заснована на описі руху механічної системи шахтної піднімальної установки (див. рис.1) рівняннями Лагранжа другого роду, і реалізована у виді обчислювальної програми, блок - схема алгоритму якої приведена на рис. 2.

Програма дозволяє робити обчислення динамічних зусиль у вітках піднімального каната на всіх основних етапах розвитку аварії. Математична модель враховує положення аварії в стволі, жорсткість і пластичний характер руйнування перешкоди, усі що рухаються і обертаються маси піднімальної установки, дисипацію енергії коливального руху, тяговий момент на роторі двигуна, спрацьовування запобіжної автоматики й аварійне гальмування піднімальної установки, спрацьовування шахтного парашута в завершальній стадії аварії.

Відповідно до зазначеної методики виконане математичне моделювання особливих навантажень конструкцій шахтних копрів від заклинювання кліті, що піднімається для піднімальних машин з діаметром барабана від 2.5 до 9м, при глибині шахтних стволів від 200 до 1500м. Як випадкову перешкоду, на якому відбувається заклинювання кліті, що піднімається, розглянуто армування шахтного ствола при різних схемах виходу піднімальної судини з напрямних.

Чисельний експеримент дозволив установити основні залежності параметрів особливих навантажень при заклинюванні кліті, що піднімається від основних факторів аварії, а так само виявити чотири якісно відмінних типи сполучень імпульсивних навантажень від віток піднімального каната (див. рис.3).

У третьому розділі приведені методика і результати натурних динамічних іспитів шахтних копрів. Динамічне поводження конструкцій шахтних копрів досліджувалося при експлуатаційних режимах піднімальної установки, а також при іспиті аварійного гальмування і системи шахтного парашута. У процесі експерименту вимірялися параметри вібрацій характерних точок конструкцій, а так само фундаментів спорудження. Крім цього в конструктивних елементах шахтних копрів вимірялися динамічні напруження. Реєстрація сигналів показань датчиків вироблялася в масштабі реального часу (див. рис. 4) інтерфейсом УСМК-1 (розробка ДонДАБА).

Отримані експериментальні дані оброблялися статистичними методами і методом гармонійного аналізу. У результаті обробки експериментальних даних отримані спектри частот власних і вимушених коливань і амплітудно-частотні характеристики споруджень. Також визначені амплітуди, частоти і коефіцієнти асиметрії динамічних напружень у конструктивних елементах копрів. Значення експериментально визначених коефіцієнтів поглинання складають 0.5...0.6.

У результаті аналізу експериментальних даних установлене наступне:

· власні частоти конструкцій шахтних копрів і елементів шахтної піднімальної установки по формах можливого взаємного впливу значно відрізняються, що дозволяє розглядати їхню взаємодію за схемою динамічних реакцій;

· при приведенні мас направляючих шківів і конструкцій шахтного копра до центра мас підшківних конструкцій і до центра мас конструкцій у рівні связьового диску між вертикальними стійками і укосиною, розрахункові значення власних частот по першим восьми формах відповідають експериментальним даним, при цьому відмінність від точного рішення не перевищує 5%;

· динамічні впливи від шахтних піднімальних установок при діаметрі барабана піднімальної машини до 3.5м у режимі нормальної експлуатації можуть бути віднесені до першої категорії динамічності, а по частотності їхній можна віднести до першої групи як низькочастотні.

У четвертому розділі приведена методика динамічного розрахунку конструкцій шахтних копрів на особливі навантаження від заклинювання кліті, що піднімається. Методика розрахунку побудована на основі математичної моделі динамічної взаємодії конструкцій шахтного копра з механічною системою шахтної піднімальної установки за схемою динамічних реакцій. Блок-схема алгоритму зазначеної математичної моделі представлена на рис.6.

Рівнодіючі від натягу віток піднімальних канатів приводилися до головного вектора і до головних моментів, що прикладалися до динамічної розрахункової схеми копра. Математична модель дозволяє визначити перемінні в часі рівнодіючі від натягу віток піднімальних канатів, а так само відповідні ним перемінні в часі інерційні навантаження.

У різних точках по висоті шахтного ствола моделювалися особливі навантаження при заклинюванні кліті, що піднімається, і при варіюванні міцнісних характеристик перешкоди виявлялися екстремальні значення динамічних навантажень, що являють собою максимальні сумарні значення векторів рівнодіючих сил від натягу віток піднімального каната і сил інерції. У результаті розрахунків із заданим кроком по висоті ствола визначалася функції екстремальних значень динамічних навантажень по вертикальній і горизонтальної складової головного вектора (див. рис. 7).

Значення отриманих функцій, що відповідають максимальним величинам горизонтальної і вертикальний складових головного вектора є розрахунковими значеннями динамічного навантаження, що використовуються для перевірочного розрахунку конструктивних елементів спорудження. Подальший розрахунок виробляється за просторовою схемою методом кінцевих елементів. У приведеній методиці для цієї частини розрахунків використаний ПОК “SCAD”.

Відповідно до викладеної методики виконані перевірочні розрахунки копрів клітьового підйому шахти “13-біс” на особливі навантаження від заклинювання кліті, що піднімається. При виконанні перевірочних розрахунків враховані наступні фактори дійсної роботи споруджень: корозійні втрати перерізів конструктивних елементів; уточнені динамічні характеристики конструкцій копрів і шахтних піднімальних установок; діаметр і глибина шахтного ствола; реальні тахограми підйому; можливі схеми заклинювання судини, що піднімається. Порівняння розрахункових значень особливого навантаження, визначених за уточненою методикою і по нормативній приведено в табл.1. Порівняння результатів перевірочних розрахунків рамного укісного копра по уточненій і нормативній методиках приведено в табл.2.

Таблиця 1 Порівняння розрахункових значень особливого навантаження, визначених по уточненій і нормативній методиках

Таблиця 2

Порівняння результатів перевірочних розрахунків рамного укісного копра по уточненій і нормативній методиках

Моделювання особливих навантажень від заклинювання кліті, що піднімається для зазначених копрів, дозволило зробити наступні висновки:

· максимальні значення динамічних навантажень спостерігаються у верхній частині ствола наприкінці рівномірного руху кліті з номінальною швидкістю підйому, при найбільших можливих значеннях жорсткісті і несучої здатності перешкоди; максимальні значення динамічних навантажень при обліку реальних умов аварії для різних піднімальних установок з діаметром барабана від 3.5 до 9 м можуть перевищувати нормативно встановлені розрахункові значення на 5...25%, при цьому для піднімальних машин з діаметром барабана менш 3.5 м максимальні значення особливих навантажень менше нормативно встановлених розрахункових значень на 5...10%;

· внаслідок динамічних ефектів при взаємодії конструкцій копрів з механічною системою шахтної піднімальної установки відбувається істотний перерозподіл внутрішніх зусиль (у порівнянні з результатами розрахунків за нормативною методикою), при цьому спостерігаються відхилення, як у більшу, так і в меншу сторону на 10...25%;

· зниження міцнісних характеристик конструктивних елементів армування ствола при їхньому фізичному зносі приводить до зменшення розрахункових значень особливих навантажень, на 25...65%;

· при зменшенні номінальної швидкості підйому на 50 % відбувається зниження розрахункових значень особливих навантажень від заклинювання кліті, що піднімається, таким чином, при необхідності можуть бути отримані резерви несучої здатності конструкцій шахтних копрів до 20...40%.

Висновки

1. Розроблено уточнену методику визначення динамічних навантажень конструкцій укісних шахтних копрів при заклинюванні кліті, що піднімається, яка враховує реальні міцнісні характеристики випадкової перешкоди, а так само вплив запобіжної автоматики й аварійного гальмування піднімальної машини. Визначено залежності параметрів особливих навантажень від основних технологічних факторів і умов заклинювання кліті, а так само встановлені основні типи сполучень імпульсивних навантажень від натягу віток піднімального каната.

2. Установлено, що при сполученні найбільш несприятливих умов заклинювання кліті для піднімальних машин з діаметром барабана від 3.5 до 9м сумарне амплітудне значення перемінних зусиль натягу віток піднімального каната може перевищувати дані нормативної методики на 5...25%; для піднімальних машин з діаметром барабана менш 3,5 м сумарне амплітудне значення перемінних зусиль натягу віток піднімального каната менше даних нормативної методики на 5...10%.

3. Експериментально встановлено, що динамічна взаємодія конструкцій шахтного копра з механічною системою шахтної піднімальної установки з погрішністю не більш 5% можна розглядати за схемою динамічних реакцій. Установлено першу категорію динамічності навантажень нормальної експлуатації від піднімальної машин з діаметром барабана до 3.5м, а також для характерних конструктивних систем шахтних копрів установлене значення коефіцієнта поглинання 0.5...0.6.

4. Розроблено уточнену методику перевірочного розрахунку конструкцій шахтних копрів на дію особливих навантажень при заклинюванні кліті, що піднімається, яка дозволяє врахувати динамічну взаємодію конструкцій шахтних копрів з механічною системою шахтних піднімальних установок, а так само можливі параметри міцнісних характеристик випадкової перешкоди.

5. Обґрунтовано можливість зниження величини особливих навантажень від заклинювання кліті, що піднімається за рахунок зменшення номінальної швидкості підйому, при цьому можливо виявлення додаткових резервів несучої здатності конструкцій шахтних копрів на 20...40%.

6. Розроблена методика перевірочного розрахунку конструкцій шахтних копрів на дію особливих навантажень від заклинювання кліті, що піднімається є основою для подальшого розвитку методики динамічного розрахунку при реконструкції і новому проектуванні, а так само для удосконалювання конструктивних форм цих споруджень. Практичне значення отриманих результатів полягає в можливості більш точних розрахунків конструкцій шахтних копрів і обґрунтування можливості їхнього подальшого використання в умовах реструктуризації вугільної промисловості України. Економічний ефект від впровадження результатів дослідження склав 120 тис. грн.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах

1. Кущенко В.Н., Дворников В.И., Щелухин К.Е., Кострицкий А.С. / Особенности расчета шахтных копров на нагрузки от разрыва подъемного каната. / Вестник ДонГАСА вып. 2000-1(21). - Макеевка. 2000. - с.52-58.

2. Горохов Е.В., Кущенко В.Н., Дворников В.И., Кострицкий А.С. / Особенности динамического поведения конструкций шахтных копров при воздействии аварийных нагрузок. / Вестник ДонГАСА вып. 2001-4(29), том 1. - Макеевка. 2001. - с.112-117.

3. Кущенко В.Н., Дворников В.И., Кострицкий А.С. / Влияния технологических факторов и условий аварийных ситуаций на параметры особых нагружений конструкций шахтных копров при заклинивании подъёмного сосуда. / Вестник ДонГАСА вып. 2001-4(29), том 2. - Макеевка. 2001. - с.39-43.

4. Кущенко В.Н., Кострицкий А.С., Некрасов Ю.П. / Методика и результаты динамических испытаний укосного шахтного копра. / Вестник ДонГАСА вып. 2003-2(39), том 1. - Макеевка. 2003. - с.116-125.

5. Кущенко В.Н., Щелухин К.Е., Кострицкий А.С. / Основные направления совершенствования методов расчета шахтных копров на особые нагрузки. / Вестник ДонГАСА вып. 2003-2(39), том 2. - Макеевка. 2003. - с.140-146.

6. Кущенко В.Н., Кострицкий А.С. / Экспериментальное исследование динамического поведения конструкций шахтных копров. / Вестник ДонГАСА вып. 2003-2(39), том 2. - Макеевка. 2003. - с.46-52.