Комаров, С. Г. , независимый исследователь, электромеханик
Представлен вариант модернизации устройства защиты подъёмной установки от напуска каната, входящего в состав «Устройства для контроля скорости движения сосуда подъёмника», защищённого Авторским свидетельством СССР на изобретение за № 1146270 (приоритет изобретения 2 марта 1983 г.). Принцип работы исходного устройства защиты подъёмной установки от напуска каната основан на уменьшении интенсивности ультразвукового сигнала в канатном канале связи при ослаблении натяжения каната подъёмным сосудом, что в конечном итоге приводит к срабатыванию исполнительного устройства, управляющего предохранительным тормозом подъёмной установки.
Схема подъёмной установки для вертикального ствола проста. Над стволом шахты устанавливается надшахтный копёр, на верхней площадке которого укреплены направляющие шкивы для подъёмных канатов. Спуск и подъём сосуда (клети или скипа) по стволу шахты глубиной до 800 м производится подъёмной машиной с цилиндрическими барабанами, находящейся в отдельном здании, расположенном на расстоянии 20 – 40 м от копра. Стандартные направляющие шкивы для подъёмных канатов, например, диаметром 4 – 6 м делают со штампованным ободом, желоб которого не имеет футеровки, из-за чего они хорошо передают ультразвуковые колебания от канатного канала связи к датчику колебаний на подшкивной площадке. В нестандартных копровых шкивах для уменьшения износа каната желоб обода шкива заполняют резиновой или другой футеровкой, которую по мере износа заменяют. Однако футеровка желоба шкива может представлять собой акустоизолирующий узел, снижающий амплитуду – интенсивность передаваемых ультразвуковых колебаний от канатного канала связи к датчику колебаний на стороне приёма и обработки информации. Что может не позволить производить измерение интенсивности ультразвуковых колебаний в канатном канале связи и осуществлять защиту подъёмной установки от напуска каната. Влияние футеровки желоба обода копрового шкива на результаты измерений следует устранить.
Как известно, модуль Е упругости стального проволочного каната является в общем случае переменной величиной и зависит от конструкции каната, степени его приработки, величины нагрузки и других факторов.
Установлена эмпирическая зависимость модуля E упругости стальной канатной проволоки от её прочности Q: E = 5075 + 75 Q. Для подъёмных канатов выбирают стальную проволоку с прочностью Q = 130 – 180 кгс/мм2. При этом модуль Е упругости (модуль Юнга) для нового нагруженного каната (натянутого в струне весом подъёмного сосуда с грузом и собственным весом) составляет порядка 211 гПа = 211 · 109 кг· м / с2 · м2. Плотность ρ стальных канатных проволок порядка 7800 кг / м3, что характерно для всего каната в целом. Тогда скорость «с» ультразвуковых колебаний в стальном канате определится по формуле: с2 = Е / ρ. Из приведенной формулы следует, что скорость ультразвуковой волны в твёрдотельной среде тем меньше, чем больше плотность среды, и тем больше, чем больше модуль упругости среды. Подставляя в формулу численные значения Е и ρ, находим с = 5200 м / с.
Для каната подъёмной установки характерны различия между модулями Е1 и Е2 упругости, определяемыми соответственно при нагрузке каната грузом (весом подъёмного сосуда с грузом и самого каната) и его разгрузке (при застревании подъёмного сосуда в стволе шахты и образовании напуска каната). Отношение Е2 / Е1 составляет порядка до 0,6 на испытываемом образце каната, т. е., если Е1 = 211 гПа, то Е2 = 126,6 гПа, а скорость ультразвуковых колебаний в канате снижается с 5200 м/с до 3120 м/с.
Интенсивность «И», или сила, ультразвука определяется как количество энергии, переносимой волной за единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения ультразвука, связана со средней плотностью энергии «П»: И = с·П. Где: с – скорость ультразвуковой волны. В свою очередь средняя плотность «П» энергии равна 0,5 · (ŵА)2 · ρ · с, где ŵ – круговая частота (ŵ = 2πf = 6,28 · f, где: f – частота волны), А –амплитуда смещения частиц среды – стального каната. Поскольку частота f волны возбуждения на стороне передачи ультразвукового колебания в канатный канал связи стабилизирована и постоянна, и плотность каната ρ = 7800 кг м3 остаётся неизменной, то из приведенного определения для интенсивности ультразвука И = с·П следует, что чем больше скорость «с», частота f ультразвуковой волны и амплитуда А смещения частиц среды (мощность излучателя ультразвука), тем больше её интенсивность «И», которая значительно снижается при ослаблении нагрузки подъёмного каната. Что и позволяет с использованием обозначенных определений создать устройство защиты подъёмной установки от напуска каната.
Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере её распространения. Причины затухания – убывание амплитуды с расстоянием от источника, рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, поглощение ультразвука – переход энергии звуковой волны в тепло. В связи с чем на стороне приёма ультразвуковой волны необходимо принимать меры от убывания амплитуды ультразвуковой волны с увеличением расстояния до источника.
Необходимо отдавать себе отчёт в том, что в канатный канал связи следует подавать продольную ультразвуковую волну, поскольку поперечная ультразвуковая волна значительно меньше по скорости распространения (3250 м/с вместо 5200 м/с), и что реально в канатной среде распространяется одна упругая волна, частицы канатной среды совершают колебательные движения около своих положений равновесия. Колеблются также значения их скоростей и ускорений. И можно поэтому считать, что в канатном канале связи с ультразвуковой волной одновременно распространяются волны смещения, скорости и ускорения, в связи с чем появляется возможность выбирать тип датчика колебаний на стороне приёма ультразвукового сигнала, учитывая частоту возбуждения ультразвука на стороне формирования и передачи ультразвука по канатному каналу связи.
В частности, на стороне приёма ультразвуковой волны датчик колебаний возможно выполнить с использованием пьезоэлемента с собственной частотой, удовлетворяющей волне в канатном канале связи, т. е. частоте возбуждения в нём акустических колебаний, производимых на стороне излучения наиболее мощным пьезоэлектрическим преобразователем магнитострикционного типа или же пьезоэлемента из титаната бария, обеспечивающем требуемый исходный уровень интенсивности ультразвуковых колебаний в канатном канале связи.
Информация, которую приносят ультразвуковые колебания, – это сведения о механическом воздействии на канатный канал связи, амплитудно модулирующем высокочастотные ультразвуковые колебания (несущую) при движении сосуда в стволе шахты низкой частотой (скорость ультразвуковых колебаний в стальном канате при рывковых нагрузках и напуске каната изменяется, следовательно, изменяется и интенсивность ультразвуковой волны). Вся информация о состоянии канатного канала связи и воздействии на него заключена в огибающей высокочастотных ультразвуковых колебаний, преобразованных в электрические импульсы.
Задача, которую следует решать на стороне приёма ультразвуковой волны, состоит: 1. В преобразовании поступающей ультразвуковой волны в усиленные электрические импульсы, которые следует пропустить через полосовой или избирательный фильтр – для первичного выделения несущей ультразвуковой волны, вновь усилить электрические импульсы ультразвуковой частоты одновременно с регулировкой усиления в автоматическом режиме для компенсации изменений амплитуды ультразвукового сигнала с изменением высоты подъёма сосуда – длины каната, отделить огибающую сигнала от несущей (путём амплитудного детектирования, нагрузки на фильтр низкой частоты и интегрирующее звено, чем самым задать время на включение защиты и устранить ложные её срабатывания) и измерить сигнал (амплитудные и временные параметры огибающей), например, с применением электронного исполнительного устройства релейного типа, управляющего включением предохранительного тормоза подъёмника. 2. Выбрать место размещения датчика колебаний на стороне приёма ультразвуковой волны при использовании нестандартного копрового шкива.
На рисунке представлена блок-схема устройства защиты подъёмной установки от напуска каната.
Устройство содержит размещённый в подъёмном сосуде С блок БФПУ формирования и передачи ультразвуковых колебаний, выполненный в составе стабилизированного генератора ГЭИ электрических импульсов ультразвукового диапазона, усилителя УМ мощности, подключенного входом к выходу генератора ГЭИ, подключенного к выходу усилителя УМ мощности электроакустического преобразователя ЭАП – излучателя ультразвука, выполненного, например, в виде магнитострикционного преобразователя или же с применением пьезоэлемента из титаната бария, преобразующего электрические импульсы в ультразвуковые, звукопровода ЗП, выполненного, например, с полостью, заполненной жидкой упругой средой (глицерином или антифризом), через которую он контактно соединён с излучающей поверхностью электроакустического преобразователя ЭАП с одной стороны и имеет прочный контакт с подъёмным канатом ПК над подвесным устройством ПУ сосуда С с другой стороны, при этом подъёмный канат ПК образует собой акустический канал – ультразвуковых колебаний; звукопровода (на рисунке не обозначен) в составе направляющего подъёмный канат ПК в ствол шахты копрового шкива КШ стандартного типа и подшкивной площадки, выполненной, например, с полостью, заполненной жидкой упругой средой; блока БПОИ приёма и обработки информации, расположенного большей своей частью в здании подъёмной машины ПМ, выполненного в составе выносного датчика ДК колебаний в виде пьезоэлемента с основной собственной частотой, равной частоте ультразвуковой волны в акустическом канатном канале связи, помещённого в упругую жидкость в полости подшкивной площадки для преобразования поступающих ультразвуковых колебаний в электрические колебания, и подключенного к выходу датчика ДК колебаний выносного электрического предварительного усилителя У1, выполненного с избирательным фильтром высокочастотного – ультразвукового сигнала; основного усилителя У2, подключенного входом через кабель К к выходу предварительного усилителя У1 и выполненного в составе (на рисунке не показано) первого усилителя электрических колебаний ультразвукового диапазона с выносным регулятором П усиления потенциометрического типа, соединённым через вспомогательный понижающий микроредуктор Р с главным валом подъёмной машины ПМ, последовательно включенных с первым усилителем электрических колебаний фильтра для выделения основной частоты электрического сигнала ультразвукового диапазона, второго усилителя электрических колебаний, амплитудного детектора, нагрузочных фильтра низкой частоты и интегрирующего звена, выход которого образует выход основного усилителя У2 с выходным однополярным напряжением, изменяемым по амплитуде и длительности импульса интенсивностью ультразвука, поступающего к датчику ДК колебаний, и подключенного к выходу основного усилителя У2 электронного исполнительного устройства ИУ релейного типа, управляющего при напуске каната включением предохранительного тормоза ПТ подъёмной установки, обеспечивающего при этом блокировку (на рисунке не показана) исполнительного устройства ИУ до новой зарядки предохранительного тормоза ПТ после устранения аварийного состояния.
Понижающий микроредуктор Р выбирается с передаточным числом, удовлетворяющем условию: полная высота шахтного ствола (или максимальная задействованная длина подъёмного каната) соответствует одному неполному обороту выходного вала микроредуктора Р, соединённого с валом регулятора П усиления первого усилителя в усилителе У2.
Параметры элементов в усилителе У2 – второго усилителя, амплитудного детектора, фильтра низкой частоты (из параллельно включенных сопротивления и конденсатора) и интегрирующего звена (последовательно включенные сопротивление и конденсатор, образующий выход интегрирующего звена и усилителя У2) и входное сопротивление исполнительного устройства ИУ должны быть подобраны таким образом, чтобы на выходе усилителя У2 при нормальном режиме работы подъёмника создавалось однополярное (постоянное) выходное напряжение в значении срабатывания исполнительного устройства ИУ по всей высоте подъёма сосуда С при заданной исходной мощности излучателя ультразвука, а при аварийном режиме – образовании напуска каната создавалось снижение однополярного (постоянного) напряжения на выходе усилителя У2 до значения порога отключения исполнительного устройства ИУ, при этом одновременно производилась задержка (порядка 0,1 – 0,2 сек.) импульсного снижения однополярного напряжения, с целью устранения образования ложных напусков каната.
Исполнительное устройство ИУ может быть выполнено с порогом напряжения отключения порядка 50 % от номинального уровня напряжения включения.
Работает устройство следующим образом.
В блоке БФПУ формирования и передачи ультразвуковых колебаний постоянно включен стабилизированный генератор ГЭИ электрических импульсов ультразвукового диапазона, выходные импульсы которого усиливаются усилителем УМ мощности и подаются в электроакустический преобразователь ЭАП – излучатель ультразвука, преобразующий электрические импульсы в ультразвуковые, уходящие через звукопровод ЗП в канатный ПК канал акустической связи. При этом интенсивность ультразвуковых колебаний в канатном ПК канале связи по всей его длине (из-за созданной мощности излучателя ультразвука ЭАП), оказывается такой, что не требуется вводить акустоизолирующий узел между подвесным устройством ПУ и сосудом С.
Поскольку в представленном примере копровой шкив КШ стандартный – не имеет резиновой акустоизолирующей футеровки, то акустические колебания от канатного ПК канала связи проходят через звукопровод, образованный копровым шкивом КШ и подшкивной площадкой, к датчику ДК колебаний, выполненному в виде пьезоэлемента с основной собственной частотой, равной частоте ультразвуковой волны в канатном ПК канале связи. Датчик ДК колебаний преобразует поступающие ультразвуковые импульсы в электрические импульсы, которые затем поступают в предварительный усилитель У1, усиливаются и подвергаются первичной очистке от помех полосовым или же избирательным фильтром.
От усилителя У1 по кабелю К электрический сигнал передаётся на вход основного усилителя У2, где он вновь усиливается первым усилителем с одновременной автоматической регулировкой усиления (в зависимости от длины каната, опускаемого в ствол шахты. Поскольку этот первый усилитель электрических колебаний ультразвукового диапазона выполнен с выносным регулятором П усиления потенциометрического типа, соединённым через вспомогательный понижающий микроредуктор Р с главным валом подъёмной машины ПМ), дополнительно очищается от помех избирательным фильтром, усиливается ещё одним – вторым усилителем, детектируется амплитудным детектором, поступает на нагрузочный фильтр низкой частоты и далее – на интегрирующее звено, образующее выход основного усилителя У2, соединённый с входом исполнительного устройства ИУ.
Если при спуске сосуда С в ствол шахты не происходит зависание сосуда в направляющих и не образуется напуск каната, то к исполнительному устройству ИУ поступает от усилителя У2 напряжение, достаточное для поддержания исполнительного устройства ИУ во включенном состоянии, обеспечивающего сигнализацию о безаварийном уровне работы подъёма.
При образовании напуска каната создаётся аварийная ситуация, т. к. снижается скорость распространения ультразвуковых колебаний в подъёмном канате ПК, уменьшается интенсивность ультразвуковых колебаний, поступающих к датчику ДК колебаний, понижается уровень выходного сигнала – напряжения усилителя У2 до уровня напряжения, при котором через 0,1 – 0,2 секунды происходит отключение исполнительного устройства ИУ, которое при этом включает предохранительный тормоз ПТ подъёмной установки и сигнализацию об аварийном режиме работы подъёма, а предохранительный тормоз ПТ в свою очередь блокирует исполнительное устройство ИУ до устранения аварийной ситуации.
Следует учитывать, что электроакустический преобразователь ЭАП и датчик колебаний ДК необходимо устанавливать с большой точностью. Не допускать отклонения их осей от должных направлений, направлений распространения продольных волн акустического сигнала, потому что эти отклонения влияют на акустический сигнал.
При использовании в схеме подъёмной установки нестандартных копровых шкивов с акустоизолирующей футеровкой необходимо устанавливать датчик колебаний на стороне приёма ультразвуковых колебаний на находящемся в статическом состоянии металлическом монтажном основании подъёмной машины, что может потребовать применения более мощного излучателя ультразвука на стороне излучения, более высокой частоты излучения или же применения в качестве датчика колебаний на стороне приёма датчика ускорений вместо датчика смещений частиц канатной среды относительно положения равновесия (волны смещений) или же датчика волны скоростей, автоматической регулировки усиления обрабатываемого сигнала – в процессе компенсации его изменений от изменений длины подъёмного каната.
При подъёме сосуда на полной скорости и резком торможении подъёмной машины рабочим тормозом сосуд по инерции может создавать ситуацию, схожую с его зависанием и образованием напуска каната. Чтобы устранить аварийную ситуацию такого рода, необходимо блокировать исполнительное устройство ИУ на время подъёма сосуда контактом, определяющим направление движения каната.
Источники информации
- Комаров С. Г. Устройство для контроля скорости движения сосуда подъёмника, Авторское свидетельство СССР № 1146270. Приоритет изобретения 02.03.1983 г.
- Кл. Э. Суорц Необыкновенная физика обыкновенных явлений, т. 2, Москва, «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1987, с. 11 – 14.