Badania oporów ruchu przenośnika taśmowego w warunkach kopalń rud miedzi

CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 3 (72) 2014, s. 45-56 45 Badania oporów ruchu przenośnika taśmowego w warunkach kopalń rud miedzi Waldemar Kisielewski 1), Damian Kaszuba 1), Robert Król 2) 1) Politechnika Wrocławska, Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii, ul. Na Grobli 13/15, 50-421 Wrocław, e-mail: waldemar.kisielewski@pwr.edu.pl, damian.kaszuba@pwr.edu.pl 2) Politechnika Wrocławska, Instytut Górnictwa, ul. Na Grobli 13/15, 50-421 Wrocław, e-mail: robert.krol@pwr.edu.pl Streszczenie W pracy opisano metodę pomiaru oporów ruchu pojedynczego górnego zestawu krążnikowego na specjalnie zaprojektowanym do tego celu stanowisku pomiarowym. Przedstawiono projekt oraz skalowanie stanowiska pomiarowego, które pozwala na prowadzenie pomiarów w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych dla zmiennej strugi urobku. Konstrukcja ramy wraz ze sprzętem do akwizycji danych jest mobilna i daje możliwość instalacji układu pomiarowego w każdym miejscu trasy dowolnego przenośnika. Do badań wytypowano przenośnik bazowy, reprezentujący grupę przenośników stosowanych w kopalniach rud miedzi. Przedstawiono wyniki badań oporów ruchu pojedynczego górnego zestawu krążnikowego. Zastosowany układ pomiarowy umożliwił określenie obciążenia badanego zestawu krążnikowego w całym zakresie wydajności przenośnika taśmowego. Dzięki temu wyznaczono zależność oporu ruchu pojedynczego zestawu krążnikowego w funkcji wydajności masowej. Wykazano wyraźny wpływ załadowania przenośnika na wartości oporów ruchu, generowanych przez pojedynczy zestaw trójkrążnikowy. Słowa kluczowe: zestaw krążnikowy, przenośnik taśmowy, badania, opory ruchu Measurements of belt conveyor resistance to motion in copper mine conditions Abstract The measurements method of resistance to motion of a single carrying idler installed in the belt conveyor loaded with randomly variable transported bulk stream has been presented. The project and the scaling of measuring unit have been presented too. The measurements have verified that the belt conveyor s resistance to motion increases significantly when mass capacity enlarges. Key words: idler set, belt conveyor, measurements, resistance to motion Wprowadzenie Budowane w ostatnich latach krajowe systemy transportu taśmowego charakteryzują się konserwatywnym podejściem do zagadnień związanych z układami podparcia taśmy zestawami krążnikowymi. Swoisty konserwatyzm w tym zakresie wynika niekiedy z przyzwyczajenia do bezkrytycznego stosowania norm, które określają zakresy bezpieczne, często z nadmiernym zapasem bezpieczeństwa, i przez

46 to nie zawsze optymalne. Pilotowe instalacje przenośników dalekiego zasięgu zbudowane w świecie [5], ale również w polskim górnictwie [1, 7] przeczą niektórym przyjętym i powszechnie stosowanym rozwiązaniom konstrukcyjnym. Potwierdzają to również wyniki i efekty ekonomiczne prac badawczo-rozwojowych, prowadzonych na rzecz PGE KWB Bełchatów S.A., i dotyczących optymalizacji rozwiązań technicznych przenośników taśmowych, zakończone wdrożeniem w 2010 r. Zasadniczym celem podjętych badań było wskazanie możliwych do osiągnięcia efektów w postaci zmniejszenia energochłonności napędów przenośników taśmowych i przedstawienie środków technicznych do ich realizacji [2, 3, 4, 6]. Przenośniki taśmowe, eksploatowane w oddziałach KGHM Polska Miedź S.A., to w większości konstrukcje zaprojektowane w latach 90. ubiegłego wieku. W związku z planami uruchomienia nowych złóż rudy miedzi (GGP), głęboko zalęgających i odległych od istniejących szybów wydobywczych, istnieje potrzeba stworzenia nowych wydajnych i ekonomicznie uzasadnionych rozwiązań transportu taśmowego. Jednym z możliwych rozwiązań, wpisujących się w strategię innowacyjności spółki, jest właśnie zastosowanie przenośników o istotnie obniżonych oporach ruchu. Ponieważ zebranych doświadczeń, w ramach prowadzonych prac badawczych w zakresie poszukiwania optymalnych rozwiązań dla kopalń odkrywkowych węgla brunatnego, nie można bezpośrednio przenieść na dużo mniejsze przenośniki podziemne, przede wszystkim z uwagi na inne rodzaje stosowanych taśm, inną bardziej zwartą konstrukcję przenośników i trudniejsze warunki zabudowy i eksploatacji, w KGHM Polska Miedź S.A. powstała inicjatywa wytworzenia nowego, energooszczędnego przenośnika taśmowego. Wytypowano trzy kierunki działań modernizacyjnych (zastosowanie taśm energooszczędnych, krążników o obniżonych oporach ruchu oraz jednostek napędowych o podwyższonej sprawności), a także ustalono harmonogram prac, zmierzających do osiągnięcia założonych celów. W artykule przedstawiono wyniki prowadzonych eksperymentalnie badań oporów ruchu pojedynczego zestawu krążnikowego, na trasie wytypowanego przenośnika bazowego, zbudowanego ze standardowych podzespołów. Celem tych badań było określenie stanu wyjściowego, względem którego porównywane będą efekty energooszczędności, wynikające z zastosowania wyselekcjonowanych komponentów, zaproponowanych dla prototypowego przenośnika efektywnego energetycznie. 1. Opis metody pomiarowej Istotę pomiaru oporów ruchu na pojedynczym zestawie krążnikowym wyjaśnia rys. 1. Zestaw pomiarowy, złożony z układu trzech krążników górnych, zainstalowany został na specjalnie skonstruowanym, pomiarowym członie trasy przenośnika. Badany zestaw krążnikowy, zawieszony na specjalnej belce poprzecznej, podtrzymywany jest przegubowo na dwóch tensometrycznych czujnikach sił pionowych F 1 i F 2, rejestrujących siłę rozciągającą.

47 Rys. 1. Schemat podwieszenia zestawu pomiarowego i rozmieszczenia czujników sił Fig. 1. Measuring rolling idler set with force sensors W trakcie pomiarów suma wartości tych dwóch sił jest wypadkowym obciążeniem pionowym zestawu krążnikowego. Na obciążenie to składa się, przypadający na zestaw, ciężar taśmy oraz chwilowy ciężar urobku. Zatem jest to również pomiar chwilowej wydajności przenośnika. Przed każdym pomiarem, wykorzystując podwieszenie na śrubach rzymskich, belkę wraz z zestawem przegubowym opuszcza się poniżej taśmy i w ten sposób rejestruje się siłę ciężkości tych elementów, co w dalszej kolejności odejmowane jest od sumy wskazań czujników sił. Sąsiednie zestawy krążnikowe na członie pomiarowym zawieszone są także na poprzecznych belkach, z możliwością regulacji wysokości zawieszenia po każdej stronie. Umożliwia to precyzyjne ustawienie przed pomiarami wszystkich krążników w jednej płaszczyźnie, co eliminuje dodatkowe obciążenia krążników. Belki z zawieszonymi zestawami mogą być ustawiane w różnej odległości od siebie, co z kolei daje możliwość zmiany rozstawu zestawów krążnikowych górnych. Zestaw pomiarowy jest po obu stronach uchwycony przegubowo i podtrzymywany w płaszczyźnie poziomej dwiema parami czujników sił o małym zakresie pomiarowym. Różnice wskazań czterech zastosowanych czujników sił są podstawą do wyznaczenia chwilowej siły poziomej na styku taśma-krążniki podczas biegu taśmy. Pomiar sumarycznego oporu ruchu, przypadającego na zestaw pomiarowy, realizowany jest za pomocą dwóch par czujników sił, po obu stronach zestawu (F 3 i F 4 oraz F 5 i F 6 ), zamocowanych na elementach poziomych. Należy mieć na uwadze to, że podczas przemieszczania taśmy, siły poziome, rejestrowane przez czujniki, ulegają zmianie w następujący sposób: siły F 3 i F 5 wzrosną odpowiednio o F 3 i F 5, co wynika z kierunku działania poziomej siły wzajemnego oddziaływania między taśmą i krążnikami: oraz F F 3 = F + F 30 3 5 = F + F 50 5 (2) siły F 4 i F 6 maleją w stosunku do ich wartości początkowych, wskutek działania poziomej siły wzajemnego oddziaływania między taśmą i krążnikami: (1)

48 oraz F F 4 F F 40 4 = (3) 6 F F 60 6 = (4) Chcąc wyznaczyć sumaryczny opór ruchu przypadający na zestaw pomiarowy, należy zsumować wszystkie przyrosty sił zarejestrowane przez czujniki poziome, czyli: W = F 3 + F4 + F5 + F6 (5) W ten sposób, korzystając z zależności (5), można wyznaczać chwilowe wartości oporów ruchu w oparciu o zarejestrowane przebiegi na czterech czujnikach sił. Przyjmując brak oddziaływania siły rozciągającej taśmę, co ma miejsce w przypadku ustawienia sąsiednich zestawów krążnikowych w jednej linii z zestawem pomiarowym, można przyjąć, że mierzona za pomocą czterech czujników wypadkowa siła pozioma jest sumarycznym oporem ruchu pojedynczego zestawu krążnikowego. 2. Budowa mobilnego stanowiska pomiarowego W celu przeprowadzenia pomiarów oporów ruchu na przenośniku wykonano projekt, a następnie zbudowano stanowisko pomiarowe. Model 3D mobilnego stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys. 2, a rysunek złożeniowy na rys. 3. Projekt stanowiska umożliwia łatwy i szybki montaż całej konstrukcji w dowolnym punkcie trasy przenośnika, bez ingerowania w konstrukcję elementów nośnych przenośnika. Dodatkowo, przewidziano konstrukcję w taki sposób, aby możliwe było realizowanie prac badawczych zarówno na trasie przenośnika o szerokości taśmy B = 1000 mm, jak i B = 1200 mm. Cały układ pomiarowy wyposażono w dwa symetrycznie rozmieszczone czujniki, mierzące obciążenie pionowe pomiarowego zestawu krążnikowego, oraz cztery czujniki w płaszczyźnie poziomej, mierzące wypadkową siłę poziomą, działającą wzdłuż osi podłużnej taśmy (wypadkowy opór ruchu zestawu krążnikowego). Rys. 2. Model 3D mobilnego stanowiska pomiarowego Fig. 2. 3D model of measuring unit structure

49 Rys. 3. Rysunek złożeniowy mobilnego stanowiska pomiarowego Fig. 3. Assembly drawing of measuring unit structure W trakcie procesu projektowego ramy pomiarowej uwzględniono szereg wymagań technicznych, związanych m.in. z zapewnieniem: odpowiedniej sztywności ramy, adaptowalnej do konstrukcji trasy przenośnika o szerokości B = 1000 mm i B = 1200 mm; możliwości demontażu na odpowiednio małe podzespoły, umożliwiające łatwy transport i montaż w dowolnym punkcie trasy przenośnika; możliwości wypoziomowania zestawu pomiarowego i odpowiedniego jego ustawienia względem sąsiednich zestawów krążnikowych. 3. Testowanie i skalowanie mobilnego stanowiska pomiarowego Rama pomiarowa mobilnego stanowiska pomiarowego została wykonana, a następnie złożona na hali produkcyjnej KGHM ZANAM Sp. z o.o. Widok zmontowanej ramy wraz z czujnikami pokazano na rys. 4. Rejestracja i przekazywanie sygnału pomiarowego z czujników siły odbywała się za pomocą wzmacniacza typu SPIDER 8.0. Wzmacniacz podłączono do komputera, na którym dzięki oprogramowaniu Catman Easy firmy Hottinger możliwe jest przetwarzanie, rejestrowanie i analizowanie zmian sygnału pomiarowego. Do rejestracji sił pionowych zastosowano czujniki typu S9 firmy Hottinger o zakresie pomiarowym 20 kn, natomiast do rejestracji oporu ruchu czujniki typu S2 o zakresie pomiarowym 500 N.

50 Rys. 4. Widok ramy pomiarowej z zamontowanymi czujnikami do rejestracji sił Fig. 4. Measuring frame view with load sensors W trakcie procesu projektowego ramy pomiarowej dokonano analizy schematu kinematycznego układu. Przeanalizowano siły czynne, pochodzące od ciężaru zestawu trójkrążnikowego, oraz reakcje nimi wywołane. Schemat kinematyczny układu został przedstawiony na rys. 5. Sumę sił, pochodzącą od masy zawieszonego zestawu, masy taśmy oraz masy transportowanego urobku, oznaczono jako F y, natomiast siły związane z oporem ruchu pojedynczego zestawu trójkrążnikowego opisuje wielkość F x. Przyjmując założenia równowagi sił działających w płaszczyznach pionowej i poziomej oraz zakładając przegubowe połączenia pomiędzy poszczególnymi elementami, otrzymujemy następujące równanie równowagi dla sił pionowych: gdzie: F y wypadkowa pionowa siła obciążająca [kn]; F 2, F 1 rejestrowane siły pionowe [kn]. F y = F 1 + F 2 (6) W płaszczyźnie poziomej przyjęto równowagę sił pochodzących od oporu ruchu pojedynczego zestawu krążnikowego oraz od sił reakcji mierzonych na czujnikach F 3 F 6. Czujniki te przed pomiarami zostały wstępnie napięte do połowy zakresu pomiarowego. Dla płaszczyzny pomiarowej otrzymujemy następujące równanie równowagi sił: F x = F (7) 3 F4 + F5 F 6 gdzie: F x siła oporu ruchu pojedynczego zestawu krążnikowego [N]; F 3, F 4, F 5 F 6 rejestrowane siły poziome [N].

51 Rys. 5. Schemat kinematyczny układu pomiarowego Fig. 5. Kinematical diagram of measuring system Przeanalizowano trzy możliwe przypadki obciążenia, uwzględniając przy tym skutki zjawisk występujących na trasie przenośnika podczas rzeczywistej eksploatacji, np. zbiegania bocznego. Widok układu pomiarowego w trakcje skalowania układu przedstawiono na rys. 6. Przeanalizowano dokładność odczytów zamontowanych czujników sił w następujących przypadkach, tj. podczas: zadawania obciążenia pionowego, wywierania bocznego przemieszczenie belki, oddziaływania wymuszonej siły pionowej i poziomej. Rys. 6. Widok skalowania układu pomiarowego Fig. 6. View of scaling of measuring system

52 Dla przykładu, w tabeli 1 zestawiono wyniki skalowania, podczas którego porównano wartości zadawanych sił pionowych poprzez zawieszanie dodatkowego obciążenia o znanej masie z wartościami rejestrowanymi w układzie pomiarowym. Graficzne przedstawienie wyników pomiarów obrazuje rys. 7. Tabela 1. Wpływ obciążania pionowego na wartości rejestrowanych sił Table 1. Influence of vertical load on measuring force Dodatkowe obciążanie F y Siła pionowa Różnica Błąd F 1+F 2 względny [kg] [N] [N] [N] [%] 0 0 0 0 0 71 696,5 696,0 0,5 0,0007 126 1236,1 1233,0 3,1 0,0025 Rys. 7. Wpływ obciążania pionowego na wartości rejestrowanych sił Fig. 7. Influence of vertical load on measuring force Po przeprowadzeniu kalibrowania ramy pomiarowej widoczne jest bardzo dobre skorelowanie pomiędzy wartościami zadawanych sił a wartościami odczytywanymi. Teoretycznie zależność pomiędzy prezentowanymi wartościami sił powinna być opisana równaniem y = x. Z przedstawionego powyżej wykresu widać, że ta zależność jest zbliżona do wartości teoretycznej, co potwierdzają również obliczone wartości błędu względnego (tabela 1.) 4. Badania na przenośniku L 1031 Pomiary eksploatacyjne przeprowadzono na przenośniku oddziałowym L-1031 o szerokości taśmy B = 1000 mm, eksploatowanym w kopalni O/ZG Lubin, rejon Wschód, charakteryzującym się następującymi parametrami: Typ przenośnika Legmet H1000 Długość L 530 m Szerokość taśmy B 1000 mm

53 Prędkość ruchu taśmy v t Rozstaw krążników górnych l k 2,0 m/s 0,83 m Dane techniczne napędu: - ilość jedn. napędowych 2 - typ silników 2SIE 315M6D - moc 2 x 160 kw 50 Hz, 500 V - typ sprzęgieł VOITH TVVSN - typ przekładni PLC40 R10-G12-25 - przełożenie 1:25 Typ hamulców Tarczowe OMEGA 200 Średnie nachylenie wyrobiska 1 º 39 Przewidywane obciążenie 400 Mg/h Widok przenośnika taśmowego oraz widok zabudowanego mobilnego członu pomiarowego, na którym prowadzono badania oporów ruchu pojedynczego, górnego zestawu krążnikowego, przedstawiono na rys. 7. Rys. 7. Widok przenośnika taśmowego oraz zamontowane stanowisko pomiarowe Fig. 7. View of conveyor and assembled measuring unit 5. Wyniki pomiarów Przeprowadzone pomiary w warunkach kopalnianych pozwoliły na zarejestrowanie rzeczywistych sił obciążających badany zestaw pomiarowy oraz na wyznaczenie oporów ruchu tego zestawu. Przebieg zmienności sił pionowych w czasie pokazano na rys. 8. Wypadkowa sił pionowa jest miarą wydajności chwilowej przenośnika, natomiast wypadkowa siła pozioma jest mierzonym oporem ruchu przypadającym na zestaw krążnikowy (rys. 9).

54 Rys. 8. Przykładowy przebieg chwilowych sił pionowych Fig. 8. Variation of vertical forces Rys. 9. Przykładowy przebieg zmian oporu ruchu zestawu krążnikowego Fig. 9. Variation of resistance to motion of idler set Widoczne na wykresie zmiany oporu ruchu na badanym zestawie krążnikowym są efektem wielkości strugi urobku na przenośniku. Dlatego też konieczne jest analizowanie zmian chwilowych wartości oporu ruchu tylko w korelacji ze zmianami losowymi strugi urobku. Wyznaczoną zależność oporu ruchu pojedynczego zestawu krążnikowego w funkcji wydajności masowej przedstawiono na rys. 10.

55 Rys. 10. Opór ruchu pojedynczego zestawu krążnikowego w funkcji wydajności masowej Fig. 10. Resistance to motion of idler set to the belt conveyor s mass flow rate Podsumowanie Zaproponowana metoda pomiarowa, bazująca na rejestracji sił w układzie przegubowym podtrzymującym belką pomiarową, okazała się przydatna w badaniach eksploatacyjnych przenośnika taśmowego, w warunkach kopalń rud miedzi. Przeprowadzone skalowanie potwierdziło wysoką dokładność prezentowanej metody pomiarowej, a zastosowana aparatura rejestrująco-pomiarowa wykazała pełną przydatność w czasie prowadzonych badań. W wyniku przeprowadzonych badań wyznaczono charakterystykę oporów ruchu pojedynczego zestawu krążnikowego przenośnika w całym zakresie losowo zmiennej strugi urobku. Zaobserwowano wyraźny wpływ stopnia wypełnienia przenośnika na wartości rejestrowanych oporów ruchu. Bibliografia [1] Antoniak J., 2010, Przedsięwzięcia techniczne zmniejszające energochłonność górniczych przenośników taśmowych, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, r. 48, nr 3. [2] Bukowski J., Gładysiewicz L., Król R., 2011, Tests of belt conveyor resistance to motion, Eksploatacja i Niezawodność Maintenance and Reliability, nr 3, s. 17-25. [3] Gładysiewicz L., Król R., 2012, Badania eksploatacyjne oporów ruchu i obciążeń krążników na przenośniku taśmowym, [w:] Problemy bezpieczeństwa w budowie i eksploatacji maszyn i urządzeń górnictwa podziemnego: monografia, pod red. Krzysztofa Krauzego, Lędziny: Centrum Badań i Dozoru Górnictwa Podziemnego, s. 95-107. [4] Gładysiewicz L., Król R., Kisielewski W., 2012, Experimental studium on the resistance to motion an overbunden belt conveyors system, World of Mining, no. 6.

56 [5] Kawalec W., 2003, Przenośniki taśmowe dalekiego zasięgu, Transport Przemysłowy, nr 1(11). [6] Król R., 2013, Metody badań i doboru elementów przenośnika taśmowego z uwzględnieniem losowo zmiennej strugi urobku, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław. [7] Lutyński A., Kozubek A., 2010, Eksploatacja przenośnika wznoszącego upadowej odstawczo-transportowej w KWK Marcel, Maszyny Górnicze, nr 2.