Badania oporów ruchu przenośnika taśmowego w warunkach kopalń rud miedzi

(1)

CUPRUM – Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 3 (72) 2014, s. 45-56

___________________________________________________________________________ 45

Badania oporów ruchu przeno

ś

nika ta

ś

mowego

w warunkach kopal

ń

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 krąż nikowe-go na specjalnie zaprojektowanym do tenikowe-go celu stanowisku pomiarowym. Przedstawiono pro-jekt 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 pomia-rowego w każdym miejscu trasy dowolnego przenośnika. Do badań wytypowano przenośnik bazowy, reprezentujący grupę przenośników stosowanych w kopalniach rud miedzi. Przed-stawiono wyniki badań oporów ruchu pojedynczego górnego zestawu krążnikowego. Zasto-sowany 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 charaktery-zują 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

(2)

to nie zawsze optymalne. Pilotowe instalacje przenośników dalekiego zasięgu zbudo-wane 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 techni-cznych 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 no-wych 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. Po-nieważ zebranych doświadczeń, w ramach prowadzonych prac badawczych w za-kresie poszukiwania optymalnych rozwiązań dla kopalń odkrywkowych węgla bru-natnego, nie można bezpośrednio przenieść na dużo mniejsze przenośniki pod-ziemne, przede wszystkim z uwagi na inne rodzaje stosowanych taśm, inną – bar-dziej zwartą – konstrukcję przenośników i trudniejsze warunki zabudowy i eksploat-acji, w KGHM Polska Miedź S.A. powstała inicjatywa wytworzenia nowego, energo-oszczędnego przenośnika taśmowego. Wytypowano trzy kierunki działań moderni-zacyjnych (zastosowanie taśm energooszczędnych, krążników o obniżonych opo-rach ruchu oraz jednostek napędowych o podwyższonej sprawności), a także usta-lono 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 ener-gooszczędności, 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, zainstalowa-ny został na specjalnie skonstruowazainstalowa-nym, pomiarowym członie trasy przenośnika. Badany zestaw krążnikowy, zawieszony na specjalnej belce poprzecznej, podtrzy-mywany jest przegubowo na dwóch tensometrycznych czujnikach sił pionowych F1

(3)

47 W. Kisielewski, D. Kaszuba, R. Król, Badania oporów ruchu przenośnika taśmowego… ___________________________________________________________________________

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 pod-wieszenie 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. Umoż li-wia to precyzyjne ustawienie przed pomiarami wszystkich krążników w jednej płasz-czyźnie, co eliminuje dodatkowe obciążenia krążników. Belki z zawieszonymi ze-stawami mogą być ustawiane w różnej odległości od siebie, co z kolei daje moż li-wość 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 czte-rech zastosowanych czujników sił są podstawą do wyznaczenia chwilowej siły po-ziomej 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 (F3 i F4 oraz F5 i F6), zamocowanych na

elementach poziomych. Należy mieć na uwadze to, że podczas przemieszczania taśmy, siły poziome, rejestrowane przez czujniki, ulegają zmianie w następujący sposób:

– siły F3 i F5 wzrosną odpowiednio o ∆F3 i ∆F5, co wynika z kierunku działania

poziomej siły wzajemnego oddziaływania między taśmą i krążnikami:

3 0 3 3

F

=

+

∆

(1) oraz 5 0 5 5

F

=

+

∆

(2) – siły F4 i F6 maleją w stosunku do ich wartości początkowych, wskutek

(4)

4 0 4 4

F

=

−

∆

(3) oraz

F

₆

=

F

₆₀

−

∆

F

₆ (4)

Chcąc wyznaczyć sumaryczny opór ruchu przypadający na zestaw pomiarowy, należy zsumować wszystkie przyrosty sił zarejestrowane przez czujniki poziome, czyli: 6 5 4 3

F

W

=

∆

+

∆

+

∆

+

∆

(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 przy-padku ustawienia sąsiednich zestawów krążnikowych w jednej linii z zestawem po-miarowym, 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 po-miarowego przedstawiono na rys. 2, a rysunek złożeniowy – na rys. 3. Projekt stano-wiska umożliwia łatwy i szybki montaż całej konstrukcji w dowolnym punkcie trasy przenośnika, bez ingerowania w konstrukcję elementów nośnych przenośnika. Dodat-kowo, 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, działają -cą wzdłuż osi podłużnej taśmy (wypadkowy opór ruchu zestawu krążnikowego).

Rys. 2. Model 3D mobilnego stanowiska pomiarowego Fig. 2. 3D model of measuring unit structure

(5)

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 przenoś ni-ka o szerokości B = 1000 mm i B = 1200 mm;

– możliwości demontażu na odpowiednio małe podzespoły, umożliwiające ła-twy 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 nastę p-nie złożona na hali produkcyjnej KGHM ZANAM Sp. z o.o. Widok zmontowanej ra-my wraz z czujnikami pokazano na rys. 4. Rejestracja i przekazywanie sygnału po-miarowego 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 analizowa-nie zmian sygnału pomiarowego. Do rejestracji sił pionowych zastosowano czujniki typu S9 firmy Hottinger o zakresie pomiarowym 20 kN, natomiast do rejestracji opo-ru opo-ruchu czujniki typu S2 o zakresie pomiarowym 500 N.

(6)

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 ze-stawu trójkrążnikowego, oraz reakcje nimi wywołane. Schemat kinematyczny układu został przedstawiony na rys. 5. Sumę sił, pochodzącą od masy zawieszonego ze-stawu, masy taśmy oraz masy transportowanego urobku, oznaczono jako Fy,

nato-miast siły związane z oporem ruchu pojedynczego zestawu trójkrążnikowego opisuje wielkość Fx. Przyjmując założenia równowagi sił działających w płaszczyznach

pio-nowej i poziomej oraz zakładając przegubowe połączenia pomiędzy poszczególnymi elementami, otrzymujemy następujące równanie równowagi dla sił pionowych:

2 1

F

_y

=

+

(6)

gdzie:

Fy – wypadkowa pionowa siła obciążająca [kN];

F2, F1 – rejestrowane siły pionowe [kN].

W płaszczyźnie poziomej przyjęto równowagę sił pochodzących od oporu ruchu pojedynczego zestawu krążnikowego oraz od sił reakcji mierzonych na czujnikach

F3 – F6. Czujniki te przed pomiarami zostały wstępnie napięte do połowy zakresu

pomiarowego. Dla płaszczyzny pomiarowej otrzymujemy następujące równanie równowagi sił: 6 5 4 3

F

x

=

−

+

−

(7) gdzie:

Fx – siła oporu ruchu pojedynczego zestawu krążnikowego [N];

(7)

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 eksploata-cji, np. zbiegania bocznego. Widok układu pomiarowego w trakcje skalowania ukła-du 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

(8)

Dla przykładu, w tabeli 1 zestawiono wyniki skalowania, podczas którego porówna-no wartości zadawanych sił pionowych poprzez zawieszanie dodatkowego obciąż e-nia 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

Fy Siła pionowa F1+F2 Różnica Błąd 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 opi-sana 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 przeno

ś

niku 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

(9)

• Prędkość ruchu taśmy vt

• Rozstaw krążników górnych lk

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 1º39′

• Przewidywane obciążenie 400 Mg/h

Widok przenośnika taśmowego oraz widok zabudowanego mobilnego członu pomiarowego, na którym prowadzono badania oporów ruchu pojedynczego, górne-go 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, na-tomiast wypadkowa siła pozioma jest mierzonym oporem ruchu przypadającym na zestaw krążnikowy (rys. 9).

(10)

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 anali-zowanie zmian chwilowych wartości oporu ruchu tylko w korelacji ze zmianami lo-sowymi strugi urobku. Wyznaczoną zależność oporu ruchu pojedynczego zestawu krążnikowego w funkcji wydajności masowej przedstawiono na rys. 10.

(11)

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 przegu-bowym podtrzymującym belką pomiarową, okazała się przydatna w badaniach eks-ploatacyjnych przenośnika taśmowego, w warunkach kopalń rud miedzi. Przepro-wadzone skalowanie potwierdziło wysoką dokładność prezentowanej metody pomia-rowej, a zastosowana aparatura rejestrująco-pomiarowa wykazała pełną przydat-ność w czasie prowadzonych badań. W wyniku przeprowadzonych badań wyzna-czono charakterystykę oporów ruchu pojedynczego zestawu krążnikowego

przeno-śnika 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 górni-czych 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 krąż ni-ków 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.

(12)

[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 uwzglę dnie-niem losowo zmiennej strugi urobku, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław.

[7] Lutyński A., Kozubek A., 2010, Eksploatacja przenośnika wznoszącego upadowej od-stawczo-transportowej w KWK „Marcel”, Maszyny Górnicze, nr 2.