Розглянуто проблеми експлуатації сталевих канатів і фактори, що впливають на якість їх виготовлення. Проведено аналіз відомих канатовьющих машин, показані їх технологічні можливості і перспективи створення на базі машин роторного типу мехатронних канатовьющих комплексів.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Дюма А. Ю.


Область наук:

  • Механіка і машинобудування

  • Рік видавництва: 2005


    Журнал: Известия вищих навчальних закладів. Північно-Кавказький регіон. Технічні науки


    Наукова стаття на тему 'Аналіз і аспекти вдосконалення канатовьющих машин'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз і аспекти вдосконалення канатовьющих машин»

    ?УДК 679.7

    АНАЛІЗ І АСПЕКТИ ВДОСКОНАЛЕННЯ канатозвивальні машини

    © 2005 р А.Ю. Дюма

    обрив дротів

    %

    40

    30

    20

    10

    про

    У гірничодобувній промисловості, як у нас в країні, так і за кордоном, застосовуються, в основному, канати подвійної завивки.

    Під час роботи підйомної машини на її тяговий орган - канат діють різні статичні і динамічні навантаження. Протягом робочого циклу канат відчуває знакозмінні кручення, багаторазовий вигин на шківі і барабані, а дротів каната в місцях обпирання на жолоб шківа і барабана додатково відчувають високі контактні напруги. Кожна із зазначених навантажень має свої особливості і певним чином впливає на напружений стан каната, утворюючи різні його дефекти.

    До теперішнього часу при виготовленні шахтних підйомних канатів абсолютно не враховувалася схильність їх при експлуатації деформації кручення, яка виникає від дії власної ваги каната.

    Можна виділити ряд факторів, при яких проводиться бракування канатів [1]:

    1. Характер і число обривів дротів, в тому числі наявність обривів дротів у кінцевих заправлень.

    2. Місцеве зосередження обривів на одній пасма.

    3. Наявність в канаті однієї або декількох обірваних сталок.

    4. Зменшення діаметра каната в результаті поверхневого спрацювання або корозії на 7% і більше порівняно з номінальним діаметром.

    5. Розшарування каната (видавлювання трьох і більше дротів) на ділянці каната довжиною, рівній шести діаметрам.

    На підставі аналізу даних понад 2000 канатів, знятих з експлуатації на різних гірничодобувних підприємствах країни [2], були побудовані діаграми, що характеризують основні причини їх бракування (рис. 1). З наведених на рис. 1 діаграм легко помітити, що основною причиною бракування канатів є обрив дротів, а біля канатів з металевим сердечником - ще й порушення структури каната.

    Недостатня Причини Порушення довжина не встановлені структури

    а)

    обрив дротів

    порушення структури

    Знос зовнішнього шару

    недостатня довжина

    Причини не встановлені

    б)

    Мал. 1. Основні причини бракування канатів: а - з органічним сердечником; б - з металевим сердечником

    Аналіз експлуатаційних даних по канатах показав, що термін служби канатів складає від 140000 до 300000 циклів роботи [2].

    З літературних джерел [3] встановлено, що довговічність канатів можна збільшити на 50 ^ 60% шляхом вдосконалення технології канатного виробництва.

    З цього випливає, що збільшення терміну служби канатів є актуальним завданням, що вимагає якнайшвидшого вирішення шляхом розробки заходів по підвищенню їх технічного ресурсу на етапі виготовлення.

    Розглянемо деякі експлуатаційні показники канатів.

    На глибоких шахтах при навішуванні канатів на підйомну установку (рис. 2а), коли можна вважати, що

    верхній кінець схилу жорстко закріплений (х = 0), а до нижнього кінця (х = Ь) підвішений вантаж вагою Q, що рухається в напрямних, відбувається кручення канатів під дією власної ваги, яке призводить до того, що верхня половина каната розкручується, а нижня закручується [4], причому закон зміни деформації кручення © (х) прямолінійний (рис. 26). Позитивною деформацією кручення прийнято вважати закручування каната, при якому ©> 0.

    Кут повороту перетину каната змінюється по параболічного закону (рис. 2в) приймає найбільше значення в середній частині каната, де © = 0, і звертається в нуль на його кінцях. Було встановлено, що величина деформації кручення в цьому випадку не залежить від кінцевої навантаження і виражається формулою [4]:

    © = --

    C

    AB - C

    2

    L - 2 x >-

    2

    (1)

    де А, В, С - узагальнені коефіцієнти жорсткості каната; р - погонна маса каната, (кг / м); Ь - довжина схилу каната, (м); х - поточна координата розташування перетину каната (м).

    © = dфx / dx ф

    Q

    а)

    б)

    в)

    Мал.

    2. Схема роботи шахтного підйомного каната: а - схема навішування; б - епюри крутильних деформацій; в - епюра кутів повороту

    Результатом крутіння канатів на шахтному підйомі є зміна його параметрів плетення (кроку і кута плетення) по його довжині х. За зміною параметрів плетення можна судити про кручении каната. Очевидно, крок сукання каната з крайньому нижньому положенні об'єкта в верхній частині схилу каната буде максимальним, а в нижній - мінімальним, і тільки в середній частині схилу каната величина кроку сукання залишиться незмінною і буде відповідати ГОСТу. Так при величині схилу Ь = 650 м крок звивання в крайніх положеннях об'єкта може відрізнятися від тестувати значення на 10 ^ 15%.

    Зміна кроку сукання каната за рахунок деформації кручення в шахтних підйомних канатах нерідко призводить до утворення структурних дефектів. Це пов'язано з тим, що крутіння каната супроводжується

    несприятливим перерозподілом напружень між складовими його елементами: одні пасма, а також шари дротів розвантажуються, а інші виявляються перенапружені, що істотно впливає на термін служби канатів.

    В процесі роботи каната нерівномірно натягнуті його елементи під дією внутрішніх сил прагнуть зрівняти натяг, однак сили тертя в канаті перешкоджають цьому. Багаторазовий вигин каната на шківі і барабані значно зменшує опір внутрішніх сил тертя, за рахунок чого нерівномірно натягнуті елементи отримують відносні залишкові зміщення, спрямовані в бік вирівнювання розподілу осьового зусилля по їх довжині.

    Таким чином, стає очевидною необхідність розробки абсолютно нових принципів конструювання, технології виготовлення і навішування канатів для забезпечення найбільш повної компенсації величини деформації кручення, що виникає в процесі їх експлуатації.

    Компенсувати деформацію крутіння, що виникає при навішуванні каната від дії власної сили тяжіння, можна шляхом зміни по довжині каната кроку і кута плетення в процесі його виготовлення [5].

    При цьому розрахункова деформація кручення © р,

    відповідна необхідним параметрам плетення, повинна мати величину вихідної деформації ©, яка визначається виразом (1), але з протилежним знаком:

    © р = - ©.

    У цьому випадку після навішування каната технологічна деформація кручення в ньому компенсує деформацію крутіння, що виникає від дії власної ваги, і канат набуває по всій довжині однакові параметри плетення. Очевидно, що термін служби і напрацювання каната, виготовленого зі змінним кроком плетення, будуть істотно вище виготовлених за існуючою технологією.

    В даний час для виготовлення сталевих канатів застосовуються різні типи свівальних машин, що відрізняються кінематикою плетення дротів і пасом [4].

    Основні з них - це канатозвивальні машини кошикові, сигарного, безроторного типу і подвійний скрутки.

    В машинах кошикові типу зарядні шпулі розташовані в роторі концентрично навколо осі машини, за рахунок чого вони мають великі поперечні розміри. На машинах цього типу існує принципова можливість реалізації регульованою підкручення звиваються елементів на будь-яку задану величину. Вони тихохідні і застосовуються, в основному, для плетення канатів великих діаметрів, багато-прядних канатів, канатів закритої конструкції, а також фасонних пасом.

    Швидкісні трубчасті (сигарні) машини складають основу технологічного парку канатних

    цехів через високу продуктивності. Їх недоліком є ​​неможливість регулювання від-крутки зарядних шпуль.

    Помітною тенденцією у виробництві канатів у світовій практиці є все більш широке застосування безроторних (бугельних) машин, переваги яких полягає в більш високій продуктивності і великої місткості шпуль при менших енерговитратах і зниженні шуму і вібрації.

    В останні роки провідні фірми активно займаються розробкою і впровадженням в канатне виробництво машин подвійний скрутки. Ці машини в порівнянні з сигарними займають в два рази меншу площу, а мають продуктивність в два рази вище, що дозволяє збільшити об'єм продукції з одиниці виробничої площі в 3-5 разів. Крім того, вони споживають в 2-3 рази менше електроенергії при значно меншому рівні шуму і вібрації. Установка шпуль на нерухомому шпулярніка дозволяє застосувати шпулі більшої місткості і збільшити час між перезарядками в 10 разів. Однак обов'язковою умовою застосування машин подвійний скрутки є використання дроту високої якості, так як процес завивки супроводжується крутінням дротів. При наявності ж дефектів дротів спостерігаються часті їх обриви.

    Розвиток конструкцій свівальних машин всіх типів пов'язано не тільки з високою продуктивністю, але і з можливостями виготовлення канатів високої якості.

    Канати діаметрами до 35 мм можна звивати на машинах різного типу. Для виробництва канатів подвійного звивання діаметром понад 35 мм використовуються машини кошикові типу.

    Суть процесу виготовлення каната на машинах кошикові типу полягає в звивка пасом, що сходять з розрядних котушок, які розташовані на каретках всередині ротора канатозвивальні машини [4]. При цьому зберігається сталість положення осі зарядних котушок в просторі при повороті їх на певний кут незалежно від обертання ротора. Машина має механізми для нанесення мастила на канат і обліку довжини виготовленого каната. Роторні канатозвивальні машини в основному горизонтальні, вони працюють при невеликих числах оборотів (50 ^ 70 об / хв). Великі обертові маси зарядних котушок з пасмом, недостатня балансування всієї маси ротора з котушками і розвиваються ними відцентрові сили обмежують швидкісний режим роботи машин цього типу.

    Однак саме ці машини складають основний парк канатовьющих машин як у нас в країні, так і за кордоном. Схема канатозвивальні машини роторного типу представлена ​​на рис. 3. Вона має один приводний електродвигун 1, механічно пов'язаний через реверсивний редуктор 2 з ротором 3, а через систему редукторів 4 і 5 - з тяговим барабаном 6. На кінці порожнього вала ротора 3 змонтовано преформірующее пристрій 7. Після тягового барабана 6 розташована система мастила 8.

    7 9 10 6

    Г

    12

    Мал. 3. Схема канатозвивальні машини роторного типу

    Канат, проходячи через обтискний пристрій 9, розташоване на окремому підставі, далі надходить на Рихта механізм 10, встановлений між обтискним пристроєм 9 і тяговим барабаном 6. Готовий канат з тягового барабана через Канатоукладчик 11 подається на приймальний механізм 12. Реверсивний редуктор 2 дає можливість змінювати напрямок обертання ротора 3, що дозволяє звивати канати з різним напрямком звивання (правої і лівої).

    Звивка каната здійснюється при обертанні ротора 3 і одночасної протяжке каната тяговим барабаном 6. Установка кроку сукання проводиться шляхом коригування співвідношення швидкостей обертання тягового барабана 6 і ротора 3 за рахунок зміни передавального числа редуктора 2.

    Елемент каната (дріт або пасмо) після завивки приймає форму гвинтової лінії. Формування прямий дроту або пасма в гвинтовий елемент каната супроводжується вигином і крученням, тому її напружений стан і якість сукання каната в значній мірі залежать від способу установки зарядної шпулі, що забезпечує обертання шпулі щодо осі звиваються елемента.

    Машина з однопріводной конструкцією не дозволяє звивати канати зі змінним кроком плетення. Свого часу у нас в країні була розроблена кана-товьющая машина [6], що має два роздільних приводу ротора і тягового барабана. Дана машина не отримала належного застосування через відсутність системи управління швидкістю обертання тягового барабана. Тому при виготовленні канатів зі змінним кроком плетення [5] його змінювали не плавно, а східчасто.

    На якість виготовленого каната впливає кут повороту зарядної рами. В машинах різних конструкцій реалізуються такі варіанти повороту зарядної шпулі при одному обороті свівального ротора на (один кроці сукання каната) [4]: ​​жорстко закріплена на роторі; вона зберігає своє положення в просторі; вона кінематично пов'язана з приводом машини з можливістю регульованою підкручення звиваються елементів.

    Важливим елементом канатозвивальні машини, що впливає на якість виготовленого каната, є пристрій, що забезпечує рівномірний натяг пасом, тобто гальмівний пристрій [3]. Найбільш поширеними гальмівними пристроями канатовьющих машин є стрічкові гальма.

    4

    5

    Стрічкове натягач не забезпечує рівномірний натяг пасом звиваються каната, тому що зусилля затяжки задається вручну без застосування будь-яких контрольних приладів. В процесі роботи канатозвивальні машини змінюється радіус намотування зарядної котушки, що також призводить до зміни натягу пасом. Крім цього, відбувається витяжка гальмівної стрічки, в якості якої часто використовується конопляна мотузка, а також змінюється коефіцієнт тертя між стрічкою і гальмівної шайбою при попаданні туди мастильних матеріалів.

    Таким чином, натягач стрічкового типу не дозволяє виготовити канати з рівномірним натягом елементів каната при його сукання.

    пасом при сукання каната; регульовану підкручення кареток зарядних шпуль; регульовану підкручення сердечника; велике тягове зусилля витяжного механізму, що дозволяє вільно виробляти додаткову упругопластические обробку звиваються пасом і каната в цілому; контрольоване зусилля притиснення свівальних плашок; автоматизований контроль всіх технологічних параметрів процесу звивання каната.

    Виконати поставлені вимоги можливо шляхом вдосконалення самої машини і створення на її базі мехатронного канатовьющих комплексу, що поєднує високий рівень механічної конструкції, засобів сучасної автоматики і комп'ютерного управління. Для цього була розроблена схема мехатронної системи управління канатозвивальні машини (рис. 4).

    Підсистема регулювання откруткі зарядних шпуль

    Мал. 4. Схема мехатронної системи управління канатозвивальні машини

    У ряді машин застосовуються натяжні пристрої стрічкового типу, що дозволяють компенсувати зміну натягу пасом, пов'язане зі зменшенням радіуса намотування зарядних котушок. Це здійснюється за рахунок зміни натягу пружини стрічкового гальма прямо пропорційно зміні радіуса намотування зарядної котушки. Однак натягач даної конструкції, так само не дозволяє одночасно підтримувати рівномірний технологічне натяг всіх елементів каната, тому що величина притиснення пружини для кожної зарядної котушки окремо встановлюється вручну.

    Крім розглянутих вище існують натяжні пристрої з генераторами постійного струму, з електричними машинами змінного струму, з об'ємними гідронасосами, на базі гідравлічних машин поступального дії [3].

    Якісний і кількісний аналіз застосовуваних в даний час натягачів [7] показав, що всі вони не забезпечують рівномірного і постійного натягу елементів каната при звивка. Нерівномірність натягу елементів каната в процесі завивки викликає додаткові деформації дротів, які змінюють їх параметри і призводять до різниці довжини елементів в готовому канаті. В результаті утворюються дефекти у вигляді розшарування і сполученню дротів і пасом при експлуатації каната, що призводить до зменшення терміну служби канатів.

    Для отримання необхідної якості каната необхідно забезпечити в процесі його виготовлення на канатозвивальні машини: вирівнювання натяжений

    Всі підсистеми такого комплексу взаємопов'язані функціонально і управляються від ЕОМ. Задають параметрами тут є закон зміни кроку сукання по довжині каната, ГОСТ, за яким виготовляється канат, натяг пасом в процесі завивки, зусилля обтиску, спосіб откруткі зарядних шпуль.

    література

    1. Короткий А.А., Хальфін М.Н., Іванов Б.Ф., Котельников В.С., Ліпатов А.С. Канати сталеві. Контроль і норми бракування: Керівний документ. РД РОСЕК 012-97 / Держнаглядохоронпраці. Новочеркаськ, 1997..

    2. Ксюнін Г.П., Хальфін М.Н., Короткий А.А. Дослідження стійкості шахтних підйомних канатів. // Изв. вузів. Гірський журн. 1983. № 10. С. 72-74.

    3. Рижиков В.А. Натягачі канатовьющих машин. Новочеркаськ, 1994.

    4. Малиновський В.А. Сталеві канати. Ч. 1. Одеса, 2003.

    5. Малиновський В.А., Малявіцкій Н.Ф., Міщенко А.А. Адаптовані шахтні підйомні канати зі змінним кроком плетення // Сталеві канати: Зб. науч. тр. Одеса, 2003. С. 9-15.

    6. А.с. №1139780 (СРСР) канатозвивальні машини / М.Н. Хальфін, А.А. Короткий, А.Б. Гуревич, В.І. Царюк - Заявл. 23.11.83, №3664040, опубл. 15.02.85, МКІ Д07В 3/06, Б.І. 1985. № 6.

    7. Шошіашвілі М.Е., Духопельников В.Д., Дюма А.Ю. Аналіз стабілізуючих властивостей натяжних пристроїв канатовьющих комплексу // Нові технології управління рухом технічних об'єктів: Матеріали 4-ї Міжнар. наук.-техн. конф. Новочеркаськ /Юж.-Рос. держ. техн. ун-т (НПІ). Ростов н / Д, 2001. Т. 1. С. 82-85.

    20 грудня 2004 р.

    Південно-Російський державний технічний університет (НПІ)


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити