Системы защиты шахтных подъемных установок от аварийных ситуаций

Содержание Введение 1. Анализ и обзор устройств защит от напуска каната 2. Устройства защиты и контроля провисания струны каната 3. Устройства защиты от напуска каната с контролированием момента зависания по усилию в частях отдельных элементов подъемной установки 4. Способы и устройства защиты шахтных подъемных установок от напуска канатов с контролированием положение подъемного сосуда 5.

Устройства защиты от напуска каната основанные на сравнении скоростей вращения (движения) отдельных элементов подъемной установки 6. Список литературы Введение Одним из ответственных технологических объектов угольных и рудных шахт являются подъемные установки. От их работоспособности зависит не только объем добычи полезного ископаемого, но и нормальное функционирование,

и безопасность работы всей шахты в целом. Надежная и безотказная работа подъемной установки зависит от качественной наладки и правильного обслуживания электромеханического комплекса подъемной установки. Для обеспечения безопасной эксплуатации подъемных установок, своевременного обнаружения нарушений в режимах работы и принятия, необходимых мер по предупреждению аварий применяют систему защит и блокировок. Средства защиты появились одновременно с появлением шахтных подъемных установок (ШПУ) и совершенствовались

параллельно с ними. Большие работы по совершенствованию конструкции Шахтных подъемных машин и аппаратуры управления проводятся на заводах им.15-летия ЛКСМУ (г.Донецк), НКМЗ (г.Краматорск), «Красный металлист» (г.Конотоп), «Шахтная автоматика» (г.Прокопьевск) и др. Над созданием современных аппаратов управления и защиты работают коллективы институтов «Гипроуглеавтоматизация»,

ЦКБ Электропривод ВНИИЗМ, Автоматуглерудпром, ВНИИВЭ и др. За рубежом исследованиями по совершенствованию и разработке шахтного подъема занят ряд крупнейших фирм и предприятий: AEG, «Сименс-Шуккерт» (ФРГ), «Дженерал-Электрик» (Англия), ASEA (Швеция), «ЧКD-Прага» (Чехословакия) и др. Данные по горнорудной промышленности за 1998-99гг говорят о том, что угольная и горнорудная промышленность

остаются опасными по аварийности. Главной причиной аварий, согласно выводом Госгортехнадзора, является неудовлетворительное техническое состояние оборудования. Износ оборудования составляет 90%, а в ряде случаев превышает все 100%. Шахтные подъемные установки на большинстве горных предприятий полностью выработали свой ресурс, а треть требует немедленной замены. Одной из наиболее часто встречающейся аварий является зависание опускающегося

сосуда в стволе шахты и как следствие, при дальнейшем вращении барабана и сматывании каната на сосуд- напуск каната. Эта авария опасна тем, что при внезапном освобождении зависшего сосуда резко выбирается образовавшийся напуск каната, что может привести к его обрыву, т.е. к аварии, простою подъема, а на людских подъемах и к гибели людей. Если даже зависший сосуд и не сорвется, то продолжающийся сматываться канат может попасть в отделение соседнего сосуда и появляется опасность его обрыва поднимающимся сосудом.

Причинами зависания сосуда в стволе могут быть: неудовлетворительное состояние направляющих устройств, нарушение армировки ствола, обмерзание разгрузочных кривых и устья ствола шахты, попадание элементов крепления горных выработок в транспортируемый груз, ложное срабатывание парашюта. Свой вклад в решение вопросов защиты ШПУ от напуска каната при зависании сосуда в стволе внесли И.Н. Латыпов, А.Ф. Абросимов, В.С. Бескопылый, А.А.

Белоцерковский, С.Б. Годзданкер, И.И. Пущанская, В.И. Савин, А.Д. Динкель, В.Е. Католиков, Н.В. Шапочка, М.В. Кипервассер, Н.Г. Огнев, М.М. Шамсутдинов, И.А. Багаутдинов, А.В. Прахов и др. Применяемые в настоящее время устройства защиты от напуска каната контролируют момент зависания подъемного сосуда по изменению усилий в отдельных частях подъемной установки,

положению сосудов в стволе, скорости вращения (движения) отдельных элементов, прогибу струны каната. Анализ и обзор устройств защит от напуска каната Каждая подъемная установка за исключением, установок со шкивами трения и наклонных грузовых подъемов, должна быть оборудована защитой от провисания струны и напуска каната. Провисание струны каната 1 (рис. 1,а) происходит, когда опускающийся сосуд 2 зависает в стволе на глубине ( ) меньшей по величине, чем длина струны каната ( ) от барабана 3 до шкива 4.

Т.е. вес струны каната не позволяет канату сматываться через шкив в ствол. При напуске каната (рис.1,б) сосуд зависает на глубине большей по величине длины струны каната ( ). Т.е. вес подъемного каната, от места зависания до шкива, будет позволять ему сматываться с последнего и опускаться на сосуд образуя напуск. Явление зависания опасно тем, что при внезапном освобождении сосуда резко выбирается образовавшийся провис или напуск каната, что может привести к его обрыву.

Поэтому необходимо контролировать момент зависания сосуда и в случае его появления подавать сигнал на включение предохранительного тормоза и остановку подъемной машины. Контроль момента зависания подъемного сосуда в стволе шахты может осуществляться следующими измерениями: провиса струны каната между барабаном и копровым шкивом; скорости вращения (движения) отдельных элементов, усилия в отдельных элементах, положения подъемного сосуда в стволе, тока якоря приводного двигателя

барабана. Проанализируем эти методы контроля зависания с точки зрения их достоинств, недостатков и области применения. Устройства защиты и контроля провисания струны каната Практика шахтного подъема показала, что, часто, ослабление каната происходит в результате зависания подъемного сосуда в разгрузочных кривых. При этом вращение подъемной машины в сторону зависшего в кривых сосуда всегда сопровождается провисанием струны каната и обнаруживается по принципу механического воздействия

струны на специальную конструкцию установленную под ней. Такие устройства, которые называются как «подканатная рейка», измеряют прогиб струны каната между барабаном и копровым шкивом. Их можно подразделить на две группы: 1) с жестким элементом, воспринимающим вес каната; 2) с гибким элементом, воспринимающим вес каната.

К первой группе относится устройство Горловского наладочного управления (рис. 2), которое получило наибольшее распространение. Пластины 4 включают в последовательную цепь, состоящую из катушки электромагнитного реле времени 6 и выпрямительного моста 7. При провисании канат 5 ложится на проводник 2 и отжимает его от пластин 4. В результате размыкается цепь питания реле 3 и включается предохранительный тормоз.

Реле защиты имеет выдержку времени, которая предотвращает ложное срабатывание защиты при колебаниях подъемного каната. Комплект защиты состоит из двух подканатных конструкций, устанавливаемых под каждым из подъемных канатов в проемах здания. Применение защитного устройства Горловского наладочного управления резко сократило число аварий, связанных с зависанием сосуда в разгрузочных кривых. В тоже время имеют место случаи отказа защиты по следующим причинам: - неправильной установкой

подканатной конструкции опущенной слишком низко, в результате чего при напуске канат ложится на проем не воздействуя на подканатную конструкцию; - маленькой выдержкой времени и частых ложных срабатываний защиты из-за колебаний каната; - деформации и изгиба трубы-проводника из-за ударов каната в результате колебаний при предохранительном торможении. Недостаток, связанный с последним пунктом привел к созданию подканатной конструкции с гибким элементом (рис.3).

Провисание струны каната 1, контролируется с помощью тросика 2, переброшенного через шкив 3. На нижнем конце тросика закреплен груз 4, а также сквозная втулка 5 с упором. Специальное реле содержит два последовательно соединенных гибких контакта 6 и 7. В рабочем режиме рычаг 9, устанавливается в промежуточном положении и контакты 6 и 7 замыкают цепь питания реле времени 9. Если подъемный канат ложится на тросик, то втулка с упором 5 перемещается вверх.

Рычаг 8 под действием пружины 10 поднимаясь размыкает контакт 6 в цепи питания реле времени 9, которое с выдержкой времени (для защиты от ложного срабатывания) разомкнет свои контакты в цепи управления. В данном устройстве принципиально продуман вопрос его самоконтроля. Так, если тросик обрывается выше втулки, то под действием груза 4 рычаг реле смещается вниз и размыкает контакт 7. При обрыве тросика ниже втулки под действием пружины 10 разомкнется контакт 6.

Кроме того, рассматриваемое устройство не вызывает затруднений при замене подъемного каната, т.к. для вывода его из работы достаточно сбросить трос со шкива, а после замены каната снова надеть тросик на шкив (контакт реле на это время шунтируется). Положительными качествами рассматриваемой конструкции подканатной защиты являются: - высокая надежность (вероятность ее повреждения при сильных биениях струны каната весьма незначительная); - простота настройки и обслуживания; - полный самоконтроль; - высокая

чувствительность (для уверенного срабатывания достаточно прогиба горизонтального участка тросика на 0,5-1,0 см.); - возможность включения контактов реле непосредственно в цепь защиты или коммутирования цепей напряжением 220 В. Недостатком данного устройства защиты, является то, что для избежания отказов необходима ее периодическая не реже двух раз в месяц, проверка с осуществлением естественного напуска и ограниченность ее действия по глубине ствола. Устройства защиты от напуска каната с контролированием момента зависания

по усилию в частях отдельных элементов подъемной установки Длительное время на ряде предприятий ведутся опыты построения защиты от напуска каната с использованием информации об усилиях в различных элементах подъемной установки. Наибольшее распространение получили устройства с использованием магнитоупругих датчиков, которые устанавливаются под подшипники копровых шкивов. В основе этих датчиков, лежит свойство сталей изменять свою магнитную

проницаемость, при изменении механической нагрузки. Нагрузка от концевого груза (рис.4) каната 1 через опоры подшипников 2 шкива 3 передается на сердечник 4 магнитоупругого датчика. В зависимости от нагрузки будет меняться магнитная проницаемость сердечника, а соответственно ток и напряжение выходной цепи. При зависании сосуда в стволе нагрузка на шкив, а следовательно и на сердечник датчика резко падает, что вызывает изменение выходного напряжения и реле 5

подаст сигнал на включение предохранительного тормоза. Этот принцип положен в основу аппаратуры контроля натяжения канатов АКНК (разработанный ВНИИВЭ) и АЗСП-2 (разработанный киевским Институтом автоматики). Сравнительный анализ преимуществ и недостатков аппаратуры АКНК и АЗСП-2 позволил выявить следующее. Аппаратура

АКНК является более универсальной, так как осуществляет функции защиты (от зависания скипов, от перегрузки канатов), управления и сигнализации (контроль разгрузки и загрузки скипов). Аппаратура АЗСП-2 обеспечивает только защитные функции. Датчики трансформаторного типа, используемые в аппаратуре АКНК, обладают более высокой чувствительностью и меньшей погрешностью, что позволяет обойтись без усилителей,

по сравнению с датчиками дроссельного типа, где оказалось необходимым введение в схему стабилизирующих, фильтрующих и усилительных элементов. Одним из недостатков аппаратов защиты АКНК и АЗСП-2 является то, что они имеют сложные электрические схемы. Общим недостатком устройств защиты с использованием магнитоупругих датчиков является то, что они обладают остаточными деформациями. В связи с чем, для исключения погрешности и ложного срабатывания, необходима

периодическая настройка и отладка аппаратуры в целом. Кроме того, установка датчиков такого типа должна обеспечивать: - передачу значительной части реакции опоры шкива; - защиту датчиков от раздавливания при чрезмерном натяжении каната; - независимость передачи усилия от жесткости входящих элементов. Способы и устройства защиты шахтных подъемных установок от напуска канатов с контролированием положения подъемного сосуда

Устройства защиты такого типа контролируют непосредственно положение подъемного сосуда в стволе шахты в данный момент времени. Момент зависания подъемного сосуда в этих устройствах определяется следующими способами: 1. с использованием путевых датчиков расположенных вдоль ствола; 2. с использованием магнитной записи меток на подъемном канате; 3. с использованием Доплеровских измерителей. Устройства первого типа основаны на том, что при движении

подъемный сосуд проходит мимо путевых датчиков, которые подают сигналы в схему защиты. Если через определенный интервал времени не поступает сигнал с очередного путевого датчика, то это свидетельствует о том, что сосуд завис в стволе и схема подает сигнал на остановку подъемной машины. В качестве путевых датчиков на подъемах широко применяются бесконтактные магнитные датчики положения типа ВМ-64В, ВМ-66, ДКПУ. Огнев Н.Г. разработал и предложил устройство для защиты шахтных подъемных

установок от напуска каната с использованием в качестве путевых датчиков герконов. Устройство содержит прицепные элементы, снабженные постоянными магнитами, располагаемыми на подъемных сосудах и герконы расположенные зеркально - симметрично по всей глубине шахтного ствола, на двух противоположных его сторонах с шагом ∆L: , где скорость перемещения прицепного элемента в соответствии с диаграммой скорости, м/с; - интервал времени необходимый для срабатывания устройства, равный 0,1с.

Несмотря на интересность и своеобразность данного устройства ему присущи и следующие явные недостатки: - возможность контролировать момент зависания подъемного сосуда только при скорости выше расчетной, т.е. возможно ложное срабатывания защиты, что приводит к необходимости автоматического изменения импульса коммутатора в зависимости от скорости; - трудность установки и обслуживания большого количества герконов расположенных вдоль подъемного ствола, так например для шахты с глубиной 1000м и скоростью движения

подъемного сосуда 10 м/с необходимо 1000 герконов с каждой стороны. . В устройствах второго типа используется магнитная запись меток на подъемном канате. Магнитные метки, представляющие собой намагниченные участки каната, считываются при работе машины специальной магниточуствительной головкой. В России была разработана аппаратура АЗН-2 с использованием магнитной записи на специальном канате.

Аппаратура АЗН-2 предназначена для защиты от недопустимого напуска каната при зависании сосуда в стволе на вертикальных шахтных подъемных установках с глубиной ствола до 1500м. Аппаратура АЗН-2 может применяться на шахтах, опасных по газу и пыли. Недостатком данного вида устройств защиты является то, что магнитные метки, пригодные для контроля напуска и наносимые на тяговый канат, с течением времени теряют свою магнитную индукцию вследствие рассеивания

остаточного магнитного потока в тяговом канате, что снижает надежность устройства и требует повторного, очень точного, нанесения на канат новых магнитных меток. К третьему типу относятся устройства основанные на измерении положения подъемного сосуда с использованием эффекта Доплера. Сущность эффекта Доплера заключается в том, что если источник акустических или электромагнитных колебаний перемещается относительно неподвижного приемника сигналов, то частота принимаемых сигналов

в приемнике изменяется в зависимости от скорости и направления перемещения источника колебаний относительно неподвижного приемника. Это видно из следующей формулы: , где - частота колебаний воспринимаемая приемником, - частота создаваемая источником, - скорость перемещения источника по отношению к приемнику (при приближении знак «минус»), - скорость распространения колебаний в среде. Эффект Доплера проявляется как в акустике, так и в радиоволнах.

Так, при приближении источника акустических колебаний к приемнику, частота акустических колебаний, в последнем, увеличивается на величину пропорциональную скорости сближения (так называемую доплеровскую частоту +Fд, а при удалении уменьшается на [-Fд]). Огневым Н.Г. был тщательно рассмотрен вопрос использования для защиты от напуска ультразвуковых колебаний, являющихся частным случаем акустических. Им были разработаны несколько устройств защиты от напуска

каната с использованием эффекта Доплера в ультразвуке и получены соответствующие патенты. Преимуществом данных устройств защиты является достаточная простота и надежность контроля момента зависания опускающегося подъемного сосуда. К недостаткам данного устройства защиты, следует отнести наличие механической связи ударного механизма с тормозным канатом. Т.е. выход из строя ударного механизма во время движения подъемного сосуда, может стать причиной заклинивания подъемного сосуда на тормозных канатах, либо привести

к ложному срабатыванию устройства защиты от напуска каната. Устройства защиты от напуска каната основанные на сравнении скоростей вращения (движения) отдельных элементов подъемной установки Эти устройства основаны на сравнение скорости опускающегося сосуда со скоростью вращения барабана или со скоростью движения поднимающегося сосуда. При рассогласовании скоростей подается сигнал на включение тормоза.

Контроль скорости вращения барабана обычно производится при помощи тахогенератора присоединенного к валу барабана. Если для измерения скорости вращения барабана нет затруднений, то измерение скорости подъемного сосуда и трансляция этого сигнала в здание, где расположена подъемная машина и система управления, представляет определенные трудности. В принципе скорость сосуда можно измерить косвенным путем, замерив усилие в канате, выделив динамическую составляющую и при известной массе концевого груза определить

замедление (ускорение) сосуда, проинтегрировав которое можно получить скорость сосуда. Основная сложность при этом заключается в постоянном контроле за натяжением канатов. Известные датчики и аппараты контроля громоздки и могут использоваться только при экспериментальных исследованиях. Для измерения скорости движения непосредственно сосуда можно использовать также эффект Доплера, который был рассмотрен выше. Возможна защита от напуска каната по контролированию синхронной

скорости вращения направляющих шкивов. Устройство такого типа было разработано Н.Г.Огневым (рис.6). При синхронно- противоположном вращении направляющих шкивов 1 и 2, что соответствует нормальному режиму работы подъемной установки, ведомые шестерни 3 и 4 вращаются в одну сторону, следовательно, и шпиндели 5 и 6 вращаются синхронно в одну сторону и гайки 7 и 8 по резьбе перемещаются вдоль шпинделей либо вверх, либо вниз. Замыкающий геркон 9, находящийся под влиянием управляющего магнита 10, окажется

в замкнутом состоянии. В случае несинхронного вращения направляющих шкивов 1 и 2, вызванного либо напуском, либо провисом струны каната, одна из ведущих шестерен уменьшит свою скорость вращения (например 3), а следовательно уменьшится и путь проходимый гайкой 7 с управляющим магнитом 10 по отношению к гайке 8 с герконом 9. По этой причине последний разомкнет свой замыкающий контакт, который приведет в действие механизм аварийного торможения. Устройства защиты от напуска каната по изменению тока якоря приводного

двигателя подъемной машины Данный вид защиты основан на том, что в момент зависания сосуда в стволе, резко нарушается уравновешенность поднимающейся и опускающейся ветвей каната, что вызывает увеличение момента, а соответственно и тока якоря двигателя. Кипервассером М.В. было разработано устройство защиты от напуска каната основанное на сравнении «идеальной» расчетной токограммы движения привода с реальными значениями тока в процессе работы подъемной машины.

В качестве элементной базы были взяты блоки УБСР Автором были разработаны структурные и блок схемы защиты для: - машин с цилиндрическим барабаном, сравнительно небольшой длиной и весом канатов; - машин с большим весом и длиной канатов, цилиндрическим барабаном и с переменной загрузкой подъемных сосудов; - для машин с бицилиндроконическим барабаном и длинными тяжеловесными канатами. Достоинством данных устройств защиты является то, что замер токов и других необходимых величин производится

на шунтах, а также трансформаторами тока и напряжения, и в условиях сухой, не запыленной атмосферы машинного зала работа датчиков и линий связи практически абсолютно надежна. К недостаткам устройств защиты такого типа следует отнести то, что «идеальную» расчетную токограмму с которой сравнивается рабочий процесс необходимо рассчитывать на основе достоверной информации о параметрах подъемной установки при различных нагрузках и режимах работы.

Но, несмотря на это устройства защиты, основанные на сравнении токов якоря при нормальном и аварийном режиме, в связи с развитием полупроводниковой, преобразовательной и компьютерной техники, являются весьма перспективными и требуют дальнейшего более глубокого и тщательного рассмотрения. Вывод Исходя из проведенного анализа, можно сформулировать следующие основные недостатки известных устройств и способов защиты от напуска каната: 1. Устройства с контролированием прогиба струны имеют

ограничение применения по глубине ствола и низкое быстродействие. 2. Установка под подшипником копрового шкива магнитоупругих и тензометрических датчиков, не обеспечивает достаточную точность в работе, т.к. в процессе работы изменяются электрические параметры этих датчиков, что требует периодической перенастройки защиты в целом. 3. Не являются также надежными устройства, в которых по тяговому канату передаются акустические или

электромагнитные колебания. С одной стороны это связано с тем, что волны передаваемые по тяговым канатам склонны к деформации под действием концевых нагрузок, вследствие чего вносится ошибка в принимаемую частоту. С другой стороны эксплуатационную сложность представляет передача и прием самих колебаний. Т.к. при движении тяговый канат истирает скользящие контакты приемников, а в последствии теряет потерю чувствительности и потребует корректировки. 4. Не оправдали себя и устройства защиты с нанесением на

тяговый канат магнитных меток, т.к. они с течением времени теряют свою магнитную индукцию вследствие рассеивания остаточного магнитного потока в тяговом канате, что снижает надежность устройства и требует повторного, очень точного нанесения на канат новых магнитных меток. 5. Недостатком устройств с дистанционной передачей сигнала при зависании сосуда, является то, что источник питания передатчика располагаемый на подъемном сосуде требует его периодической подзарядки, замены и

контроля его работоспособности. Список литературы 1. Бежок В.Р Грузутин Р.Я Калинин В.Г Чайка Б.Н «Неисправности шахтных подъемных установок» 2. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и россыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. 3. Корнякова М.В. «Защита шахтных подъемных установок от динамических нагрузок при зависании подъемных сосудов в стволе» кандидатская диссертация,

ИрГТУ, 2000г. 4. Кипервассер М.В «Защита шахтных подъемов от напуска каната», кандидатская диссертация, Кемерово, 1995. 5. Степанов А.Г. «Динамика машин» 6. Степанов А.Г. «Рудничные подъемные установки»