Колосов Дмитро Леонідович. Розвиток теорії шахтних підйомних установок з головними гумотросовими канатами : Колосов Дмитрий Леонидович. Развитие теории шахтных подъемных установок с главными резинотросового канатами Kolosov Dmitry Leonidovich. Development of the theory of mine hoists with main rubber ropes

Краткое описание

Колосов Дмитро Леонідович. Розвиток теорії шахтних підйомних установок з головними гумотросовими канатами.- Дисертація д-ра техн. наук: 05.05.06, Держ. ВНЗ "Нац. гірн. ун-т". - Дніпропетровськ, 2015.- 471 с.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД
«НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

На правах рукопису

КОЛОСОВ ДМИТРО ЛЕОНІДОВИЧ

УДК 622.673:[531.391+539.4]

РОЗВИТОК ТЕОРІЇ ШАХТНИХ ПІДЙОМНИХ УСТАНОВОК
З ГОЛОВНИМИ ГУМОТРОСОВИМИ КАНАТАМИ

Спеціальність 05.05.06 – гірничі машини
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Науковий консультант:
доктор технічних наук, професор
Самуся Володимир Ілліч;
доктор технічних наук, професор
Блохін Сергій Євгенович

Дніпропетровськ – 2015
ЗМІСТ
ВСТУП……………………………………………………………… 9
1 СТАН ПИТАННЯ ТА ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДОСЛІДЖЕННЯ…………………………………………………..
21
1.1 Загальні відомості………………………………………………….. 21
1.2 Аналіз сучасного стану підйомних установок на гірничодобувних підприємствах……………………………….
22
1.3 Огляд наукових досліджень і конструкторських розробок щодо застосування плоских тягових органів на шахтних підйомних установках…………………………………………………………...

24
1.4 Стійкість руху плоского тягового органа на приводному барабані……………………………………………………………...
44
1.5 Мета та задачі дослідження……………………………………….. 46
1.6 Висновки за розділом 1……………………………………………. 47
2 ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ПЛОСКОГО ГУМОТРОСОВОГО КАНАТА НА БАРАБАНІ ПІДЙОМНОЇ МАШИНИ ………………………………………….

49
2.1 Огляд відомих методів дослідження напружено-деформованого стану гумотросових стрічок і канатів ….………............................
49
2.2 Побудова та дослідження математичної моделі напружено-деформованого стану плоского гумотросового каната на барабані підйомної машини ……………………………………….

50
2.2.1 Основні припущення та гіпотези, що прийняті при розробці моделі………………………………………………………………..
50
2.2.2 Дослідження напружено-деформованого стану п’ятитросового ГТК………………………………………………………………….. 58
2.2.3 Дослідження напружено-деформованого стану семитросового ГТК………………………………………………………………….. 63
2.2.4 Порівняльний аналіз результатів числового та аналітичного розв’язання для випадку однотросового каната…………………
88
2.3 Аналітичне визначення напружено-деформованого стану каната, зумовленого його взаємодією з привідним барабаном ..
91
2.3.1 Особливості деформування плоского каната на барабані та загальні підходи до його експериментального відтворення…….
91
2.3.2 Аналітичне визначення напружено-деформованого стану каната, зумовленого передачею тягового зусилля від привідного барабану……………………………………………….

97
2.3.2.1 Визначення напружено-деформованого стану каната, що має один трос при прикладанні розподіленого дотичного зусилля….
98
2.3.2.2 Визначення напружено-деформованого стану каната з безмежною кількістю тросів при навантаженні розподіленим дотичним зусиллям…………………………………………………

106
2.3.2.3 Визначення напружено-деформованого стану каната з безмежною кількістю тросів за умови прикладення навантажень протилежних знаків до суміжних тросів…………...

111
2.3.3 Аналітичне визначення напружено-деформованого стану каната, зумовленого тиском на барабан…………………………..
117
2.3.3.1 Визначення напружено-деформованого стану однотросового каната, зумовленого тиском на барабан ………………………….
117
2.3.3.2 Визначення напружено-деформованого стану каната з безмежною кількістю тросів, зумовленого тиском на барабан….
123
2.4 Дослідження впливу форми робочої поверхні барабана на розподіл внутрішніх сил поміж тросами плоского гумотросового каната з пошкодженнями окремих тросів ……..

129
2.4.1 Основні припущення, прийняті при розгляданні напруженого стану гумотросового каната………………………………………
130
2.4.2 Дослідження напруженого стану каната без урахування сил тертя…………………………………………………………………
132
2.4.3 Дослідження напруженого стану каната з урахуванням сил тертя…………………………………………………………………
140
2.5 Технічні пропозиції щодо реконструкції шахтних підйомних установок під використання гумотросових канатів……………..
147
2.6 Висновки за розділом 2…………………………………………… 152
3 ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ПЛОСКОГО ГУМОТРОСОВОГО КАНАТА В ПРИЧІПНИХ ПРИСТРОЯХ ШАХТНОЇ ПІДЙОМНОЇ УСТАНОВКИ …...…...

154
3.1 Стан питання і постановка задач досліджень …………………… 154
3.2 Схеми приєднання посудини до плоского тягового органа…….. 155
3.3 Схеми навантаження каната в причіпних пристроях …………... 159
3.3.1 Навантаження в гілках каната під затискачами………………….. 160
3.3.2 Навантаження в гілках каната на ділянці взаємодії з барабаном.. 167
3.4 Дослідження напружено-деформованого стану каната на барабані причіпного пристрою ……………………………………
170
3.4.1 Розподіл зусиль між гілками каната при відсутності відносних зсувів шарів …………………………………………………………
174
3.4.2 Розподіл зусиль між гілками каната з урахуванням тертя виникаючого між ними ……………………………………………
178
3.5 Висновки за розділом 3…………..……………………………….. 181
4 РОЗРОБКА ГУМОТРОСОВОГО КАНАТА СТУПІНЧАСТОЇ КОНСТРУКЦІЇ …………………………………………….……….
183
4.1 Стан питання і постановка задач досліджень…………………… 183
4.2 Дослідження напруженого стану гумотросового каната, зумовленого наданням йому ступінчастої конструкції …………
186
4.3 Дослідження впливу зміни конструкції канату на його напружений стан………………………………………..………….
194
4.3.1 Розрахунок довжин ступеней каната при дискретній зміні його форми………………………………………………………………..
201
4.3.2 Розрахунок довжин ступеней каната умовно неперервної зміні перерізу……………………………………………………………..
206
4.4 Дослідження впливу поривів тросів на напружений стан каната. 208
4.4.1 Дослідження впливу поривів тросів в перерізі зміни кількості тросів ………………………………………………………………..
209
4.4.1.1 Симетрична схема конструкції та ушкоджень каната…………… 209
4.4.1.2 Асиметрична схема ушкоджень каната…………………………... 214
4.4.2 Дослідження впливу поривів тросів за межами перерізу зміни кількості тросів в канаті ...…………………………………………
220
4.5 Методика визначення довжин ступеней ступінчастого каната … 227
4.6 Висновки за розділом 4……………………………………………. 232
5 ДОСЛІДЖЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ ПЛОСКОГО ГУМОТРОСОВОГО КАНАТА ЗМІННОГО ПЕРЕРІЗУ НА РОБОЧОМУ ОРГАНІ ПІДЙОМНОЇ МАШИНИ.

234
5.1 Вплив дотичних зусиль, що виникають поміж канатом та робочим органом підйомної машини ……………………………..
236
5.1.1 Бобінний робочий орган…………………………………………… 236
5.1.2 Шків тертя…………………………………………………………... 243
5.2 Вплив нормального тиску на напружений стан каната на робочому органі підйомної машини……………………………..
250
5.3 Дослідження напруженого стану рівноміцного гумотросового каната ступінчастої конструкції для надвеликих глибин в бобінному органі намотування……………………………………

258
5.3.1 Визначення умов втрати сталої форми тіла, утвореного багатошаровим намотуванням каната змінного перерізу ……….
260
5.3.2 Визначення напруженого стану гумової оболонки каната змінного перерізу під тиском верхнього шару меншої ширини...
263
5.3.2.1 Дослідження напружено-деформованого стану каната з використанням спеціальних програмних продуктів……………..
263
5.3.2.2 Дослідження напружено-деформованого стану каната аналітичними методами…………………………………………...
267
5.3.2.2.1 Розробка алгоритму визначення напружено-деформованого стану каната…………………………………………………………
267
5.3.2.2.2 Напружений стан гумової оболонки каната при рівномірно розподіленому тиску на ділянці взаємодії шарів каната з різною кількістю тросів……………………………………………………..

272
5.3.2.2.3 Напружений стан гумової оболонки каната з урахуванням характеру розподіленого тиску окремих тросів на ділянці взаємодії шарів каната з різною їх кількістю……………………..

281
5.3.3 Визначення впливу деформування бобіни на розподіл сил розтягу тросів в канаті……………………………………………...
288
5.3.4 Вимоги до робочого органа машини бобінного типа з канатом змінного перерізу…………………………………………………..
291
5.4 Дослідження напруженого стану плоского гумотросового каната на ділянці приєднання до бобіни підйомної установки..
295
5.4.1 Аналіз стану питання………………………………………………. 295
5.4.2 Модель та визначення НДС гумотросового канату стиснутого жорсткими плоскими плитами…………………………………….
297
5.5 Дослідження напруженого стану канату з виступом …………… 314
5.6 Висновки за розділом 5……………………………………………. 323
6 ДОСЛІДНО-ПРОМИСЛОВІ ВИПРОБУВАННЯ ПІДЙОМНОЇ УСТАНОВКИ З ГУМОТРОСОВИМИ КАНАТАМИ…..…….....
329
6.1 Умови безпечної експлуатації підйомних канатів на ліфтових установках…………………………………………………………..
329
6.1.1 Особливості роботи електричних ліфтів. Класифікація електроприводів …………...……………………………………….
333
6.1.2 Постановка задач експериментальних досліджень……………… 341
6.2 Експериментальні дослідження міцності гумотросового каната.. 342
6.2.1 Випробовування на продавлювання тросів на барабані підйомної машини………………………………………………….
343
6.2.1.1 Методика проведення експерименту……………………………... 343
6.2.1.2 Аналіз результатів експериментів………………………………… 347
6.2.2 Випробовування каната на передачу дотичного навантаження гумовою оболонкою………………………………………………..
351
6.2.2.1 Методика проведення експериментів……………………………. 353
6.2.2.2 Аналіз результатів експериментів……………………………….. 353
6.3 Діагностування поривів тросів в гумотросовому канаті………… 355
6.4 Додаткові заходи контролю стану каната………………………... 375
6.4.1 Контроль стану каната за викривленнями його поперечних перерізів …………….………………………………………………
375
6.4.2 Контроль стану каната в пристроях приєднання до посудини…. 376
6.5 Загальні вимоги до системи контролю тросів каната за значеннями їх електричного опору……………………………….
376
6.6 Розробка способів укладання довгомірного плоского гумотросового тягового органа……………………………………
378
6.7 Експлуатаційні випробування ліфтової установки з гумотросовими канатами на шахті “Гвардійська-2”……………..
383
6.7.1 Характеристика елементів ліфтової установки………………….. 384
6.7.2 Контроль цілісності підйомних гумотросових канатів під час експлуатації ліфтової установки…………………………………..
386
6.7.3 Досвід експлуатації ліфтової установки…………………………. 388
6.7.4 Розрахунок очікуваного економічного ефекту від впровадження 391
6.8 Висновки за розділом 6……………………………………………. 393
ВИСНОВКИ………………………………………………………... 398
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………………… 402
ДОДАТКИ …………………………………………………………. 422
Додаток А. Методика визначення параметрів головного гумотросового каната шахтної підйомної машини зі шківом тертя…………………………………………………………………
423
Додаток Б. Акти про використання результатів дисертаційної роботи………………………………………………………………
424
Додаток В. Акти про проведення промислових та лабораторних випробувань………………………………………...
427
Додаток Г. Протоколи комісій та накази технічних нарад……. 431
Додаток Д. Програми та методики експлуатаційних випробувань…………………………………………………………
443
Додаток Е. Інструкції з експлуатації канатів на підйомних установках…………………………………………………………..
445
Додаток Ж. Технічні завдання на підйомні установки та робоча документація з їх переобладнання………………………..
447
Додаток З. Висновки експертиз та дозволи…………………….. 458
Додаток К. Техніко-економічні обгрунтування………………… 467

ВСТУП

Актуальність теми. Умови видобутку корисних копалин на підземних гірничих підприємствах постійно ускладнюються. Їх видобуток здійснюється з більших глибин, зростають потреби в обсягах добутих корисних копалин, вимоги до енергозбереження, металомісткості устаткування, включаючи й обладнання для шахтного підйому. Зниження металомісткості шахтної підйомної машини, зокрема зменшення діаметра барабана, супроводжується спрощенням приводу, зменшенням енергоспоживання за рахунок скорочення витрат енергії в перехідних режимах роботи машини.
Враховуючи рекомендоване Правилами безпеки (ПБ) гранично допустиме відношення діаметра каната і діаметра привідного барабана, основним напрямом вдосконалення шахтних підйомних машин слід вважати розробку технічних рішень щодо застосування органів навивання зменшеного діаметра.
Зменшення або обмеження зростання діаметрів барабанів при збільшенні вантажопідйомності шахтних машин може бути досягнуто застосуванням особливо міцних тросів меншого діаметра або збільшенням їх кількості. Можливості першого напряму досить обмежені, оскільки для виготовлення тросів істотно підвищеної міцності потрібне застосування дротів малого діаметра з високою границею міцності, які в умовах шахти інтенсивно кородують. Другий напрямок – використання багатоканатних підйомних машин, для яких нагальною є проблема нерівномірного розподілу зусиль поміж канатами і цей напрям також було вичерпано із застосуванням восьмиканатної схеми навішування.
Принципово цю проблему можливо вирішити, об’єднавши обидва напрями – застосуванням тросів зменшеного діаметра і збільшенням їх кількості. При цьому для захисту дротів малого діаметра від корозії та забезпечення рівномірного розподілу зусиль поміж тросами їх слід укладати в еластомірну захисну оболонку, включаючи й застосування гумотросових канатів (ГТК). Такий канат дасть можливість суттєво зменшити діаметр барабана шахтної підйомної машини, що забезпечить можливості для розробки й обґрунтування нових технічних рішень щодо її істотного вдосконалення. Таким чином, саме конструкція органа навивання підйомної машини буде зумовлювати її технічні й експлуатаційні параметри.
Плоскі гумотросові канати захищені від агресивних підземних вод та безпосереднього контакту металотросів каната з органом навивання тим, що їх вулканізують у гумову оболонку. Але це зумовлює складний характер взаємодії гумотросового каната, як композитного виробу, з елементами шахтної підйомної установки. Найскладніший характер навантаження каната має місце на ділянках його приєднання до посудин та на барабані підйомної машини. Цей фактор значно впливає на довговічність роботи машини з гумотросовим канатом. Значні деформації гумової оболонки, значно менша ніж у сталевих тросів її механічна міцність, передача зусиль від підйомної машини до тросів через гумовий прошарок вимагають урахування вказаних чинників при розробці систем приєднання каната до машини та підйомних посудин.
Таким чином, для шахтних підйомних установок актуальною науковою проблемою є встановлення закономірностей формування та перерозподілу напружено-деформованого стану (НДС) головного гумотросового каната при взаємодії з елементами підйомної установки в експлуатаційних режимах на основі визначення модельних уявлень механіки його просторового деформування при руйнівному і неруйнівному навантаженнях для обґрунтування технічних рішень щодо створення сучасних шахтних підйомних установок з гумотросовими канатами зі збільшеними термінами роботи, рівнем ефективності й експлуатаційної безпеки.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота  складова наукових досліджень кафедри будівельної, теоретичної та прикладної механіки Державного вищого навчального закладу «Національний гірничий університет» відповідно до плану держбюджетних робіт Міністерства освіти і науки на період з 2005 р. по 2014 р., в яких автор брав участь як відповідальний виконавець та науковий керівник: «Розробка наукових основ створення погумованих канатів для застосування їх як головних на багатоканатних шахтних підйомних установках» (ГП-345, № ДР 0105U000499), «Розробка теорії, методів розрахунку та технологій створення гірничого обладнання нового покоління» (ГП-414, № ДР 0108U000556), «Розвиток теоретичних основ створення та оптимізації параметрів сучасного гірничого обладнання для підводного видобутку корисних копалин» (ГП-452, № ДР 0112U000871), «Наукове обґрунтування раціональних параметрів ліфтових установок нового покоління з плоскими тяговими органами» (ГП-463, № ДР 0113U000407).
Комітетом з Державних Премій України в галузі науки і техніки автору присуджено Премію Президента України для молодих вчених за 2011 р. за роботу «Розробка теорії, методів розрахунку і технології створення гумотросових канатів шахтних підйомних установок нового покоління» (Указ Президента України № 1111/2011).
Мета досліджень полягає у підвищенні рівня ефективності, безпеки та термінів експлуатації шахтних підйомних установок з головними гумотросовими канатами на основі встановлення умов їх взаємодії та закономірностей зміни напружено-деформованого стану гумотросових канатів.
Поставлена мета досягається вирішенням наступних основних задач:
- виконати аналіз умов експлуатації існуючих шахтних підйомних установок та встановити можливі шляхи підвищення їх безпеки, ефективності використання та збільшення термінів безперервної експлуатації;
- дослідити напружено-деформований стан плоского гумотросового каната на барабані підйомної машини з урахуванням відхилення його форми від циліндра з визначенням впливу товщини гумової оболонки на розподіл напружень у канаті, що дозволить обґрунтувати конструкційні параметри гумової оболонки з умов міцності та вимоги до конструкції органів навивання машин, прийнятних для використання з плоскими гумотросовими канатами;
- дослідити напружено-деформований стан плоского гумотросового каната в пристроях його приєднання до підйомної посудини, встановити вплив товщини гумової оболонки на розподіл напружень у канаті на ділянці його взаємодії з причіпним пристроєм та визначити мінімальну товщину оболонки з умов міцності на цій ділянці, що дозволить обґрунтувати раціональні конструкції пристроїв приєднання плоского каната до посудин шахтних підйомних установок;
- встановити закономірності розподілу зусиль поміж тросами каната, зумовленого дискретною зміною кількості тросів в його перерізах для обґрунтування раціональних параметрів канатів ступінчастої конструкції з умов рівноміцності за довжиною каната й особливостей зміни його напружено-деформованого стану;
- дослідити напружено-деформований стан плоского гумотросового каната змінного перерізу на робочому органі підйомної машини, визначити його вплив на конструкцію каната та встановити закономірності розподілу напружень в канаті ступінчастої конструкції за наявності тросів з розривами;
- провести комплексні експериментально-теоретичні дослідження напружено-деформованого стану гумотросових канатів і на основі отриманих результатів розробити методику розрахунку раціональних параметрів канатів та обґрунтувати норми експлуатації шахтних підйомних машин з головними гумотросовими канатами на підприємствах гірничодобувної галузі.
Ідея роботи полягає у встановленні й використанні залежностей зміни напружено-деформованого стану головного гумотросового каната при його експлуатації для обґрунтування конструкційних параметрів шахтних підйомних установок нового технічного рівня.
Об’єкт досліджень – процеси перерозподілу напружено-деформованого стану плоского гумотросового каната, що виникають при експлуатації підйомної машини та їх вплив на конструкційні та експлуатаційні параметри шахтної підйомної установки з головними гумотросовими канатами.
Предметом досліджень є взаємозв’язок конструкційних та механічних параметрів плоского гумотросового головного каната та параметрів шахтної підйомної установки.
Методи досліджень. У роботі використовувались теоретичні й експериментальні методи дослідження. Поставлені завдання вирішувались шляхом: узагальнення й аналізу результатів попередніх досліджень за літературними та патентними джерелами; виконання комплексу досліджень із застосуванням апробованих аналітичних, чисельних та експериментальних методів розрахунку напруженого стану гнучких композитних виробів; розроблення нових методів розрахунку з використанням скінченно-елементного аналізу, обчислювального експерименту, варіаційного обчислення та твердотільного тривимірного комп’ютерного моделювання. У теоретичних дослідженнях використовувалися положення і методи теорії пружності та механіки композитних матеріалів, а в експериментальних – апробовані методи лабораторних досліджень механічних характеристик гумотросових канатів при розтягненні та стисненні. Тривимірне моделювання напружено-деформованого стану канатів здійснювалося в середовищі SolidWorks/COSMOSWorks.
Основні наукові положення, що виносяться на захист:
1. Для шахтної підйомної машини зі шківом тертя й опуклим барабаном застосування головного гумотросового каната обмежує деформування прилеглої поверхні оболонки за рахунок сил зчеплення, а через неї і різницю переміщень тросів, що зі зменшенням радіуса барабана та кількості тросів зменшує за експоненціальною залежністю абсолютні значення максимальних зусиль натягу тросів у разі пошкодження одного з них. При цьому максимальне відносне зростання зусиль зменшується зі збільшенням кількості тросів у канаті до чотирнадцяти та зі зменшенням ширини каната, досягнутої зменшенням кроку укладання тросів, у разі пошкодження крайнього троса, знаходиться в діапазоні 1,3 – 1,4, що визначає якісну різницю умов деформування каната з малим кроком укладання тросів на барабані та зумовлює область застосовування головних гумотросових канатів на шахтних підйомних установках.
2. Застосування каната ступінчастої конструкції на шахтній підйомній установці дозволяє збільшити граничні глибини підняття корисних копалин, при цьому максимальна висота підйому ступінчастим канатом з фіксованою максимальною кількістю тросів пропорційна допустимому навантаженню на один трос, обернено пропорційна силі тяжіння відрізка троса одиничної довжини разом з гумою й експоненціально зменшується при збільшенні величини підйомного вантажу.
3. Для шахтної підйомної установки з гумотросовим канатом ступінчастої конструкції мінімальна кількість тросів не може бути меншою ніж чотири, і при збільшенні кількості тросів до десяти коефіцієнт нерівномірності розподілу зусиль між тросами нелінійно зменшується від 2,0 до 1,38; при цьому подальше збільшення кількості тросів призводить до незначного (до 5%) зменшення цього коефіцієнта.
Наукова новизна одержаних результатів:
- отримано чисельні характеристики й аналітичні залежності зміни напружено-деформованого стану плоского гумотросового каната ступінчастої конструкції та каната незмінної ширини з довільним розташуванням обривів тросів з урахуванням особливостей розподілу внутрішніх сил розтягу тросів на приводному барабані підйомної машини з криволінійною твірною;
- встановлено чисельні показники й аналітичні вирази, що описують напружено-деформований стан гумотросового каната на барабані підйомної машини з урахуванням впливу товщини гумової оболонки, яку обґрунтовано з умов її міцності на найбільш небезпечних ділянках взаємодії з органом навивання;
- вперше виконано аналітичне розв’язання задачі просторового деформування гумової оболонки каната, зумовленого передачею тягового зусилля від приводного барабана, тиском на барабан та впливом форми робочої поверхні барабана на розподіл внутрішніх сил поміж тросами каната з пошкодженнями, що дозволило встановити залежності коефіцієнтів концентрації напружень у гумовій оболонці каната та врахувати напружений стан гуми при проектуванні підйомних машин з головними гумотросовими канатами;
- відтворено механізм та отримано чисельні показники зміни напружено-деформованого стану гумотросового каната в пристроях його приєднання до посудини шахтної підйомної машини, визначено вплив товщини гумової оболонки на розподіл напружень у канаті на ділянці його взаємодії з причіпним пристроєм, встановлено мінімальні товщини гумової оболонки з умов міцності;
- встановлено закономірності зміни напружень у тягових елементах, зумовлених деформацією каната на нециліндричному барабані підйомної машини, які додаються до напружень від розтягу і зменшують реальну тягову міцність каната на величину зусилля, що прикладається до найбільш навантаженого троса; при цьому пошкодження крайнього троса значно менше впливає на тягову здатність каната порівняно з пошкодженням троса, розташованого ближче до осі каната, а збільшення коефіцієнта тертя каната по барабану зменшує значення максимальних внутрішніх сил розтягу тросів;
- отримано залежності впливу збільшення товщини гумової оболонки на розподіл зусиль в окремих тросах каната на ділянці взаємодії з причіпним пристроєм, при цьому збільшення довжини контакту при малих товщинах гумової оболонки несуттєво впливає на ці зусилля – максимальний натяг не перевищує 15% від робочого зусилля Р, тобто інтеграл сил тертя по дузі контакту в загальному випадку дорівнює 85 – 100% Р;
- встановлено механізм руйнування тросів у перерізі дискретної зміни кількості тросів у канаті ступінчастої конструкції, що призводить до нерівномірності перерозподілу напружень, яка зменшується зі збільшенням кількості тросів у ступенях каната та має суттєве зменшення у місці, де менша кількість тросів у перерізі каната зменшується до шести і коефіцієнт нерівномірності розподілу напружень знижується від 2,0 до 1,8;
- отримано залежності зміни величини електричного опору, як діагностичного параметра системи контролю стану головного гумотросового каната, при експлуатації на шахтній підйомній установці, які дозволяють визначати струми, що виникають в тросах у точках підведення різниці потенціалів для каната з цілими тросами й у разі їх пошкодження та в автоматичному режимі контролювати цілісність тросової основи каната, чим підвищити безпеку експлуатації шахтних підйомних комплексів.
Наукове значення роботи полягає в розвитку механіки гумотросових канатів за умов експлуатації шахтної підйомної установки, який викладено в математичному описі та встановленні раніше невідомих закономірностей: напружено-деформованого стану гумотросового каната при його просторовому деформуванні на органі навивання шахтної підйомної машини з урахуванням деформацій стиску і зсуву гуми, згинальної жорсткості тросів та сумісного впливу тиску каната на барабан, відхилення твірної барабана від прямої лінії, навантаженні каната дотичною та тяговою силами; напружено-деформованого стану каната в пристроях його приєднання до підйомної посудини та перерозподілу зусиль у канаті на ділянках взаємодії з барабанами і затискачами причіпного пристрою; напружено-деформованого стану ступінчастого каната, зумовленого дискретною зміною кількості тросів у перерізах каната; напружено-деформованого стану каната змінного поперечного перерізу на робочому органі підйомної машини та його впливу на конструкцію каната.
Практичне значення роботи: обґрунтовано конструкційні параметри плоских гумотросових підйомних канатів для підприємств гірничодобувної промисловості; розроблено вимоги до конструкції робочого органа для плоского гумотросового каната; встановлено норми відбраковування канатів з умов міцності та розроблено способи часткового відновлення тягової здатності каната при пошкодженні тросової основи; розроблено методику визначення довжин ступеней рівноміцного гумотросового каната та допустимих пошкоджень тросової основи головного каната шахтної підйомної машини зі шківом тертя; розроблено способи укладання плоского тягового органа великої одиничної довжини в обмеженому просторі; розроблено вимоги до пристроїв приєднання плоских гумотросових канатів до підйомної посудини; обґрунтовано норми експлуатації гумотросових підйомних канатів; обґрунтовано параметри системи контролю цілісності та розроблено способи контролю технічного стану канатів, що захищені патентами на винахід.
Реалізація результатів роботи. Розроблені математичні моделі, методики та технічні рішення знайшли практичне застосування на ПАТ «Кривбасзалізрудком» при розробці нормативних документів: «Інструкції з експлуатації врівноважувальних гумотросових канатів на ліфтових установках»; «Інструкції з експлуатації гумотросових тягових канатів на ліфтових установках»; «Програми і методики випробувань гумотросового тягового каната на ліфтових установках»; «Змін до технічних умов ТУ У 363-60-98. Канати гумотросові врівноважувальні»; конструкторської документації на ліфтову установку в баштовому копрі шахти «Гвардійська-2»; «Технологічних рішень та робочої документації з переобладнання клітьової підйомної установки шахти «Зоря» під головні гумотросові канати»; «Змін до інструкції з експлуатації погумованих врівноважувальних канатів у шахтних стволах»; «Технологічних рішень та робочої документації з переобладнання підземного ліфта під головні гумотросові канати»; конструкторської документації на шахтний підземний ліфт, а також на ПАТ «Новокраматорський машинобудівний завод» при розробці нових проектів шахтних підйомних машин зі шківом тертя типу МК та ЦШ.
За результатами наукової роботи в 2009 році на ПАТ «Кривбасзалізрудком» впроваджено проект нової ліфтової установки з гумотросовими підйомними й врівноважувальними канатами у баштовому копрі шахти «Гвардійська-2». Очікувана довговічність гумотросових підйомних канатів у 3 – 4 рази перевищує цей показник для існуючих сталевих, а вартість каната всього на 40 – 50% вище, що дозволяє забезпечити значний економічний ефект при експлуатації шахтних підйомних комплексів.
Обґрунтованість і вірогідність наукових результатів, висновків і рекомендацій підтверджується: коректністю постановки задач досліджень, використанням основних положень та методів опору матеріалів, теорії пружності, обчислювальної математики, адекватністю розроблених математичних моделей та даних попередніх випробувань, задовільною збіжністю теоретичних та експериментальних результатів, відсутністю суперечностей між відомими й отриманими закономірностями, тривалим досвідом експлуатації гумотросових стрічок та врівноважувальних канатів у нашій державі та за кордоном. Різниця між експериментально визначеними максимальними напруженнями та напруженням, що відповідає границі міцності гуми осердя каната, лежить у межах 18 – 21% при врахованому впливі нерівномірності розподілу напружень. Інтервал максимальних дотичних напружень в однотросових зразках, що викликали вирив троса і на якому забезпечується 90% рівень довірчої ймовірності, має відхилення від математичного очікування менше за 17%. Відхилення максимальних напружень при продавлюванні тросів на барабані відрізняються від експериментально визначеної границі міцності гумової оболонки не більш ніж на 20%. Ймовірна похибка визначення коефіцієнтів концентрації напружень лежить в межах 29 – 66% при їх аналітичному встановленні і 26 – 60% – при розрахунках методом скінчених елементів, при цьому експериментально визначені коефіцієнти концентрації напружень менші за теоретично встановлені, що дозволяє використовувати отримані результати при проектуванні підйомних машин з головними гумотросовими канатами.
Особистий внесок здобувача: визначення завдань досліджень, мети та ідеї роботи, наукових положень; розробка математичних моделей і вибір методів досліджень; розрахунково-теоретичні дослідження й експериментальні випробування; обробка, узагальнення й аналіз отриманих результатів; формулювання висновків; обґрунтування технічних вимог та параметрів шахтних підйомних установок з головними гумотросовими канатами; розробка методичних рекомендацій стосовно можливого застосування результатів роботи; впровадження запропонованих технічних рішень при проектуванні підйомних установок з гумотросовими канатами.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на всеукраїнських, міжнародних та відомчих науково-практичних й науково-технічних конференціях: «Форум гірників» (Дніпропетровськ, ДВНЗ «НГУ», 2005 – 2014); «Геотехнічні та геомеханічні проблеми розробки родовищ» (Дніпропетровськ, ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України, 2005); «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, МДТУ ім. М.Е. Баумана, 2005 – 2013); «Проблеми механіки наземного транспорту» (Дніпропетровськ, ДНУЗТ ім. акад. В. Лазаряна, 2009); «Виробництво та експлуатація сталевих канатів – проблеми та рішення» (Одеса, МАДСК, 2009, 2010); «Неделя горняка» (Москва, МДГУ, 2010 – 2014); «Людина і космос» (Дніпропетровськ, ДНУ ім. О. Гончара, 2010); «Математичні проблеми технічної механіки» (Дніпродзержинськ, ДДТУ, 2010 – 2012); «Прогресивна техніка і технологія» (Київ, НТУУ «КПІ», 2010); «Математичні проблеми механіки неоднорідних структур» (Львів, Інститут прикладних проблем механіки і математики НАН України ім. Я.С. Підстригача, 2010); ХХ симпозіум з планування гірничих робот та вибору обладнання MPES-2011 (Алмати, 2011); «Гірнича енергомеханіка та автоматика» (Донецьк, ДВНЗ «ДонНТУ», 2011, 2012); «Сучасні інноваційні технології підготовки інженерних кадрів для гірничої промисловості і транспорту», «Розвиток інформаційно-ресурсного забезпечення освіти і науки у гірничо-металургійній галузі та на транспорті» (Дніпропетровськ, ДВНЗ «НГУ», 2014).
Публікації. Основні положення дисертації опубліковано у 49 роботах, з яких: 26 – у провідних фахових виданнях (9 – без співавторів), з них 5 – в іноземних виданнях, 3 – патенти, 20 – у матеріалах конференцій.
Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, переліку використаних джерел із 198 найменувань на 20 сторінках; містить 349 сторінок машинописного тексту, 279 рисунків, 18 таблиць і додатки на 49 сторінках.
Автор висловлює щиру вдячність за наукові консультації та допомогу при проведенні досліджень професору, доктору технічних наук Блохіну С.Є. і професору, доктору технічних наук Самусі В.І.

Список литературы

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, присвяченою розв’язанню актуальної наукової проблеми, яка полягає в розвитку теорії підйомних установок з гумотросовими канатами для забезпечення ефективності та безпеки експлуатації шахтних підйомних комплексів шляхом встановлення закономірностей процесів перерозподілу напружено-деформованого стану гнучкої композитної тягово-несучої системи при її навантаженні в умовах взаємодії з вантажем та елементами підйомної установки, що дозволило створити нові конструкції плоских гумотросових підйомних канатів та обґрунтувати технічні і експлуатаційні параметри підйомних машин, пристроїв приєднання канатів до посудин, систем контролю цілісності тросів нового технічного рівня та впровадити результати наукових розробок у виробництво.
В роботі на підставі виконаних досліджень обґрунтовані параметри і конструкції плоских гумотросових підйомних і тягових канатів для гірничовидобувної промисловості України, розроблені вимоги до конструкцій робочих органів підйомних машин з плоскими гумотросовими канатами, норми відбраковування канатів та способи часткового відновлення їх тягової спроможності. На підставі створених математичних моделей напружено-деформованого стану гумотросових канатів на ділянках їх приєднання до елементів підйомної машини розроблено теорію та методи розрахунку пристроїв приєднання канатів до посудини, обґрунтовано раціональні конструкції причіпних пристроїв та систем автоматизованого контролю цілісності канатів при роботі на підйомній машині, що забезпечує підвищення безпеки експлуатації шахтних підйомних установок за рахунок значного збільшення термінів експлуатації канатів великої одиничної довжини.
Основні наукові та практичні результати, висновки і рекомендації, отримані під час досліджень, полягають в наступному.
1. Розроблено й досліджено математичні моделі напружено-деформованого стану плоского гумотросового каната ступінчастої конструкції та каната незмінної ширини з довільним розташуванням поривів тросів з урахуванням особливостей розподілу внутрішніх сил розтягу тросів на приводному барабані з криволінійною твірною. Встановлено розподіл максимального відносного зростання зусиль в окремих тросах каната на ділянці взаємодії з опуклим барабаном підйомної машини, зумовленого поривами тросів, який носить експоненціальний характер.
2. Створено просторову математичну модель напружено-деформованого стану гумотросового каната на барабані підйомної машини та виконано дослідження впливу товщини гумової оболонки на розподіл напружень в канаті з обґрунтуванням мінімальної товщини обкладинки з умов міцності. Розроблена тривимірна скінченно-елементна модель гумотросового каната дозволяє визначати напружено-деформований гумової оболонки на найбільш небезпечних ділянках взаємодії з барабаном підйомної машини (шківом тертя).
3. Виконано аналітичне розв’язання задачі просторового деформування гумової оболонки каната, зумовленого передачею тягового зусилля від приводного барабана, тиском на барабан та впливом форми робочої поверхні барабана на розподіл внутрішніх сил поміж тросами каната з пошкодженнями, та на основі її аналізу встановлено залежність коефіцієнта концентрації напружень в гумовій оболонці каната, що дозволяє врахувати напружений стан гуми при проектуванні підйомних машин з гумотросовим тяговим органом. Виконані дослідження дозволили обґрунтувати вимоги до конструкції барабанів, прийнятних для плоских гумотросових канатів.
4. Розроблено й досліджено математичну модель напружено-деформованого стану плоского гумотросового каната в пристроях його приєднання до посудини шахтної підйомної машини та визначено вплив товщини гумової обкладинки на розподіл напружень в канаті на ділянці його взаємодії з причіпним пристроєм з обґрунтуванням мінімальної товщини обкладинки з умов міцності. Результати отриманих досліджень дозволили обґрунтувати раціональні конструкції пристроїв приєднання плоского каната до посудин шахтних підйомних машин та розробити вимоги до причіпних пристроїв для плоских гумотросових канатів.
5. Встановлені закономірності розподілу зусиль поміж тросами ступінчастого каната, зумовленого дискретною зміною кількості тросів в його перерізах. Отримані залежності дозволили обґрунтувати раціональні параметри канатів змінного поперечного перерізу з умов рівноміцності за довжиною каната, особливостей зміни його напруженого-деформованого стану та розробити методику визначення довжин ступеней рівноміцного гумотросового каната.
6. Досліджено напружено-деформований стан плоского гумотросового каната змінного перерізу на робочому органі підйомної машини, що дозволило встановити його вплив на конструкцію каната, виявити закономірності розподілу напружень в канаті ступінчастої конструкції при наявності тросів з розривами та обґрунтувати норми експлуатації підйомних плоских гумотросових канатів на підприємствах гірничодобувної галузі.
7. Розроблений алгоритм та отримано аналітичні вирази, що дозволяють контролювати технічний стан гумотросового каната за критерієм зміни внутрішнього опору з урахуванням його конструкції та електричних властивостей складових елементів. На підставі виконаних досліджень обґрунтовані параметри системи контролю цілісності з визначенням максимальної довжини гумотросового каната підйомної машини, за якої можливий контроль поривів тросів за значеннями електричного опору, розроблені способи контролю технічного стану канатів.
8. За результатами наукової роботи в 2009 році на ПАТ «Кривбасзалізрудком» впроваджено проект нової ліфтової установки з гумотросовими підйомними й врівноважувальними канатами у баштовому копрі шахти «Гвардійська-2». Очікувана довговічність гумотросових підйомних канатів у 3 – 4 рази перевищує цей показник для існуючих сталевих, а вартість каната всього на 40 – 50% вище, що дозволяє забезпечити значний економічний ефект при експлуатації шахтних підйомних комплексів.
9. За даними ПАТ «Кривбасзалізрудком» економічний ефект від впровадження ліфтової установки з гумотросовими канатами на шахті «Гвардійська-2» складає 145192 грн за шестирічний період її експлуатації. Очікуваний економічний ефект при заміні канатів на ліфтових установках, що відпрацювали встановлений термін їх служби, дасть річну економію близько 170 млн грн за рахунок значного збільшення довговічності канатів.