Elementy systemu hamulcowego warunkujące bezpieczeństwo eksploatacji 

Bezpieczeństwo jest podstawową potrzebą człowieka, którą można zdefiniować, jako potrzebę pewności,  spokoju, braku  zagrożenia,  (1). Człowiek dąży do  zaspokajania  swoich potrzeb  według  określonej  kolejności,  co  zostało  przedstawione  przez  psychologa amerykańskiego Abrahama Maslowa. Hierarchię potrzeb można przedstawić graficznie, jako piramidę, gdzie przy podstawie znajdują się potrzeby najbardziej elementarne a przechodząc coraz wyżej, potrzeby wyższe. Piramida Maslowa przedstawiona jest na rysunku numer 1. 

 

Rysunek 1 Hierarchia potrzeb według Maslowa. 

Jak  wynika  z  rysunku  potrzeba  bezpieczeństwa  jest  jedną  z  najbardziej  podstawowych potrzeb  człowieka.  Bezpieczeństwo  bezpośrednio  związane  jest  także  z  pojęciem niezawodności, które zgodnie z (2) można przedstawić jako prawdopodobieństwo pracy bez uszkodzenia przez dany czas w określonych warunkach eksploatacji. Bezpieczeństwo całego urządzenia szybowego  jest  ściśle związane z bezpieczeństwem maszyny wyciągowej, a  to z kolei  zależy  głównie  od  niezawodności  działania  systemu  hamulcowego.  Brak  momentu hamującego  w  maszynie  wyciągowej,  nawet  podczas  postoju,  powoduje  ruch  naczyń  w kierunku działania siły grawitacji. Dlatego jednym z najważniejszych systemów wchodzących w skład maszyny wyciągowej  jest system hamulcowy. Awaria hamulców może doprowadzić do katastrofy, lub w najlepszym wypadku powoduje zatrzymanie i wyłączenie z użycia całego urządzenia wyciągowego, co  jest źródłem dużych strat dla kopalni. Dlatego niemożliwa  jest praca  urządzenia  szybowego  bez  sprawnych  hamulców maszyny wyciągowej.  Skuteczność działania systemu hamulcowego jest jednym z najważniejszych warunków bezpiecznej pracy urządzenia wyciągowego. Dlatego właśnie potrzeba dogłębnej analizy systemu hamulcowego z punktu widzenia niezawodności.  

Podczas hamowania następuje przetworzenie energii potencjalnej oraz kinetycznej na energię  cieplną. Biorąc pod uwagę olbrzymie masy w  ruchu postępowym oraz wirującym, uzmysławiamy  sobie,  jakie  trudne  zadanie  stawiane  jest  przed  układem  hamulcowym. 

Dlatego należy dołożyć szczególnych starań, aby zachować wysoką sprawność tych urządzeń oraz wysoką niezawodność działania. 

System  hamulcowy  jest  jednym  z wielu  systemów wchodzących w  skład maszyny wyciągowej, która z kolei jest jednym ze składników urządzenia wyciągowego. Zgodnie z (4) urządzenie wyciągowe składa się z: wieży wydobywczej wraz z kołami kierującymi, zbrojenia  i  prowadników  w  szybie,  liny,  klatki,  skipu  bądź  kubła,  urządzeń  załadowczych  i wyładowczych w podszybiu i nadszybiu, sygnalizacji oraz maszyny wyciągowej obejmującej bęben,  cewę bądź  koło pędne dla  liny, przekładnię, hamulce,  silnik napędowy, urządzenia sterujące,  regulujące  oraz  zabezpieczające.  Urządzenie  wyciągowe  służy  do  transportu urobku,  ludzi  i materiałów. Jednym z najważniejszych  i największych elementów urządzenia wyciągowego  jest  właśnie  maszyna  wyciągowa,  która  bezpośrednio  odpowiada  za  przemieszczanie  urobku,  ludzi  i  materiałów  pomiędzy  poziomami  wydobywczymi  a powierzchnią.  

  Jak  zostało  powiedziane  wcześniej  system  hamulcowy  jest  jednym  z  elementów maszyny wyciągowej. System w postaci blokowej przedstawiony  jest na  rysunku numer 1.  Z  rysunku  tego  możemy  jednoznacznie  wyodrębnić  system  hamulcowy  oraz  otoczenie.  W  skład  systemu  hamulcowego  wchodzą:  sterownik,  karta  BCC‐1,  agregat  hamulcowy, siłowniki  hydrauliczne,  stojaki  hamulcowe,  śruby  fundamentowe,  urządzenie  do  ręcznego spowodowania zaniku ciśnienia oleju EBA1, przewody  i połączenia elektryczne1, przewody  i połączenia  hydrauliczne1,  przełącznik  wyboru  agregatu  oraz  zawory  zwrotne1.  Natomiast otoczenie  składa  się  z maszynisty,  fundamentu maszyny wyciągowej,  tarcz  hamulcowych, źródła  zasilania  oraz  warunków  środowiskowych  zależnych  od  miejsca  zabudowania elementów  systemu  hamulcowego.  W  układzie  hamulcowym  w  celu  zwiększenia niezawodności  jego  pracy  występują  zazwyczaj  dwa  agregaty  hamulcowe.  Do  wyboru pracującego agregatu służy przełącznik wyboru agregatu, który stanowią zawory odcinające kulowe połączone równolegle oraz zawory zwrotne.   

                                                            1 Elementów tych nie pokazano na rysunku numer 1, aby nie zmniejszać jego czytelności. 

 

Rysunek 2 Schemat funkcjonalny systemu hamulcowego maszyny wyciągowej (aspekt fizyczny). 

Z powyższych elementów możemy wyszczególnić pewne podgrupy, mianowicie podgrupę elementów elektrycznych w skład, której wchodzą sterownik, karta BCC‐1 oraz przewody elektryczne. Następną podgrupą  jest  podgrupa  hydrauliczna,  do  której możemy  zaliczyć  agregaty  hamulcowe,  siłowniki hydrauliczne, urządzenie do ręcznego spowodowania zaniku ciśnienia, przełącznik wyboru agregatu oraz  przewody  hydrauliczne. W  skład  ostatniej  grupy, mechanicznej,  zaliczamy  stojaki  hamulcowe oraz  śruby  kotwiące.  Na  rysunku  numer  2  przedstawiono  podział  systemu  hamulcowego  na podgrupy. 

   

 

 

Rysunek 3 Podstawowe podgrupy systemu hamulcowego. 

Nie  wszystkie  elementy  systemu  hamulcowego  znajdują  się  w  jednym  miejscu, pomieszczeniu. Dlatego w różnym stopniu poddane są oddziaływaniom czynników eksploatacyjnych. Poniżej została przedstawione miejsce zabudowy każdego z elementów systemu hamulcowego oraz czynniki eksploatacyjne, które mają wpływ na dany element. 

 

Rysunek 4 Miejsce zabudowy poszczególnych elementów systemu hamulcowego 

Siłowniki  hydrauliczne,  stojaki hamulcowe oraz  śruby  fundamentowe  znajdują  się bezpośrednio w hali  maszyny  wyciągowej.  Agregat  hamulcowy  posiada  swoją  obudowę,  która  chroni  go  przed bezpośrednim  oddziaływaniem  otoczenia.  Sterownik,  karta  BCC‐1  oraz  urządzenie  EBA,  są zabudowane w  kabinie maszynisty,  która  jest  pomieszczeniem  klimatyzowanym, wyciszonym  oraz szczelnie zamykanym. Dodatkowo urządzenie EBA posiada swoją obudowę, a sterownik i karta BCC‐1 znajdują  się  w  szafie  o  odpowiednim  stopniu  ochrony.  Hala maszyny  wyciągowej  posiada  swoją własną wentylację. Umieszczona jest na terenie zakładu górniczego, w związku, z czym poddana jest działaniu czynników  zewnętrznych, które występują na  tego  typu  terenach. Chodzi  tutaj głównie o zwiększone  zapylenie  oraz  podwyższone  temperatury.    Praca maszyny  wyciągowej ma  charakter cykliczny, dlatego podczas hamowania zachodzi dynamiczne oddziaływanie maszyny wyciągowej na wieżę,  czego  skutkiem  są  drgania.  Drganiom  tym  poddane  są  wszystkie  elementy  będące zabudowane na wieży maszyny wyciągowej. Natomiast wielkość  tego oddziaływania oczywiście nie jest jednakowa dla poszczególnych elementów.  

Ogólny  podział warunków  środowiskowych  (czynników  eksploatacyjnych)  znajduje  się w  fachowej literaturze, jako przykład możemy tutaj przedstawić podział zaczerpnięty z (2). 

 

Rysunek 5 Czynniki wpływające na niezawodność w toku eksploatacji. 

Jak  można  zauważyć  z  powyższego  rysunku  eksploatacja  obejmuje  trzy  podstawowe  obszary: magazynowanie,  użytkowanie  i  obsługę,  oraz  transport.  Dla  naszych  celów  będziemy  analizowali elementy  systemu  tylko  podczas  pracy  zakładając,  że  transport  oraz magazynowanie  odbywa  się zgodnie  z wytycznymi producenta oraz, co  za  tym  idzie  intensywność uszkodzeń w  tym  stanie  jest dużo  mniejsza  niż  podczas  pracy.  Parametry  eksploatacyjne  możemy  również  podzielić  na obiektywne i subiektywne. Czynniki obiektywne to takie, które nie zależą od ludzi, natomiast czynniki subiektywne zależą od ludzi odpowiedzialnych za obsługę danego urządzenia. 

Wpływ  warunków  eksploatacji  na  intensywność  uszkodzeń,  a  co  za  tym  idzie  na niezawodność  układu,  uwzględnia  się  za  pomocą  współczynnika  intensywności  uszkodzeń. Współczynnik ten definiuje się następująco: 

λλ

λrzk =

            

gdzie:  kλ  – współczynnik  intensywności  uszkodzeń,  λrz  –  intensywność  uszkodzeń w  rzeczywistych warunkach eksploatacji, λ – intensywność uszkodzeń w warunkach laboratoryjnych. 

Poniżej  przedstawiona  jest  matryca,  która  w  zwięzły  sposób  pokazuje  czynniki  eksploatacyjne wpływające na poszczególne elementy  systemu hamulcowego  i najczęściej występujące na  terenie zakładu  górniczego.  W  poniższej  matrycy  pokazano  tylko  oddziaływanie  bezpośrednie  danego czynnika  eksploatacyjnego  na  dany  element  układu  hamulcowego,  nie  uwzględniono  oddziaływań pośrednich tzn. takich, w których dany czynnik wpływa na pewien element, który z kolei wpływa na element  sytemu  hamulcowego  –  oczywiście  łańcuch  elementów  pośrednich może  być  dłuższy. W poniższej matrycy zaznaczono również rodzaj oddziaływania na dany element sytemu hamulcowego tzn., czy to oddziaływanie jest stacjonarne – działające przez długi czas na dany element, periodyczne – zmieniające się co określony okres, aperiodyczne – zdarzające się sporadycznie. Brak oddziaływania oznacza,  że dany  czynnik  eksploatacyjny nie oddziałuje na  element  systemu hamulcowego,  lub  to oddziaływanie jest tak małe, że można je pominąć.  

 

Tabela 1 Wpływ warunków eksploatacyjnych na system hamulcowy. 

Wpływ otoczenia, chodzi  tutaj o maszynistę,  fundament maszyny wyciągowej, zasilanie oraz  tarcze hamulcowe,  jest  również uwzględniony w matrycy warunków eksploatacyjnych.   Nie  jest  to ujęcie bezpośrednie  tzn. nie ma  tam wstawionych wierszy  z  tymi elementami, natomiast pojawiają  się w matrycy,  jako  skutek,  np.  zasilanie wpływa  na  elementy  systemu  hamulcowego  poprzez  czynniki elektryczne. 

Agr

egat

y ha

mul

cow

eS

iłow

niki

hy

drau

liczn

e

Urząd

zeni

e E

BA

Kar

ta s

teru

jąca

B

CC

-1

Ste

row

nik

Sto

jaki

ha

mul

cow

e

Śru

by k

otw

iące

Prz

ewod

y el

ektry

czne

Prz

ewod

y hy

drau

liczn

eP

rzełąc

znik

w

ybor

u ag

rega

tu

Pył i piasek st st - - - st st st st st

Ciśnienie per per per - - - - - st st

Wilgoć per per - - - per per per per per

Temperatura per per - - - per per per per per

Mikrometeoryty st st - - - st st st st st

Odkształcanie - per - - - per per - per per

Przyspieszenia - - - - - - - - - -

Wibracje st per per per per per per per per per

Wstrząsy per per per per per per per per per per

Drgania st st st - - - - - per per

Cykliczność pracy per - - st st - - st - -

Niewłaściwa częstotliwość per - - aper aper - - aper - -

Nadmierne obciążenie aper - - aper aper - - aper - -

Podwyższone napięcie aper - - aper aper - - aper - -

Mikroorganizmy aper aper aper - - aper aper aper aper aper

Grzyb aper aper aper - - aper aper aper aper aper

Owady per per aper - - aper aper aper aper aper

Gryzonie aper aper aper - - aper aper aper aper aper

Mikrofale - - - - - - - - - -

Promieniowanie Rentgena - - - - - - - - - -

Promieniowanie kosmiczne st st st - - st st st st st

Promieniowanie reakcji jądrowych - - - - - - - - - -

Promieniowanie świetlne - - - - - st st st st st

Rozkład dielektryków - - - st st - - - - -

Utlenianie termiczne st st - st st st st st st st

Utlenianie świetlne - st st - - st st st st st

Korozja atmosferyczna aper aper - - - aper aper - aper aper

Korozja wodna - - - - - - - - - -

Korozja kontaktowa aper aper - - - aper aper - aper aperst st st st st st st st st st

st oddziaływanie stacjonarneper oddziaływanie periodyczneaper oddziaływanie aperiodyczne- brak oddziaływania

Starzenie

Pro

mie

niow

anie

Czy

nnik

i ch

emic

zne

i el

ektro

chem

iczn

e

Czy

nnik

i kl

imat

yczn

eC

zynn

iki

mec

hani

czne

Czy

nnik

i el

ektry

czne

Czy

nnik

i bi

olog

iczn

e

Jak widać z powyższej tabeli, bardzo częsty jest brak oddziaływania danego czynnika na dany element eksploatacyjny.  Związane  jest  to  z  tym,  że  na  elementy mechaniczne  nie mają  wpływu  czynniki elektryczne  oraz  to,  że  na  żaden  element  systemu  hamulcowego  nie  jest  poddany  działaniu przyspieszenia. Brak  jest  również promieniowania.   Na pozostałe elementy  systemu hamulcowego czynniki oddziałujące stacjonarnie, periodycznie oraz aperiodycznie wpływają praktycznie w tej samej liczbie  –  biorąc  pod  uwagę  całość  tabeli.  Pewne  warunki  eksploatacyjne  rozciągają  swoje oddziaływanie na wszystkie elementy systemu hamulcowego. Do takich warunków należy starzenie, wibracje  oraz  wstrząsy.  Te  warunki  należy  przede  wszystkim  wziąć  pod  uwagę  podczas  procesu projektowania oraz eksploatacji systemu hamulcowego. 

 

Rysunek 6 Wykres wpływu warunków eksploatacji na elementy  systemu hamulcowego. Gdzie 1‐agregaty hamulcowe,  2‐siłowniki  hydrauliczne,  3‐urządzenie  EBA,  4‐karta  BCC‐1,  5‐sterownik,  6‐stojaki  hamulcowe,  7‐śruby  kotwiące,  8‐przewody elektryczne, 9‐przewody hydrauliczne, 10‐przełącznik wyboru agregatu. 

Na  rysunku  5  przedstawiony  jest  wykres  wpływu  warunków  eksploatacji  na  elementy  systemu hamulcowego.  Jak  widać  najmniej  narażone  na  wpływ  warunków  eksploatacyjnych  są  elementy umieszczone  w  kabinie  maszynisty  –  patrz  rysunek  numer    4.  Pozostałe  elementy  systemu hamulcowego w większym stopniu narażone są na oddziaływanie warunków środowiska a co za tym idzie  trzeba  otoczyć  je  szczególna  uwagą  podczas  procesu  projektowania  oraz  eksploatacji.  Dla wszystkich elementów oprócz agregatów hamulcowych oraz siłowników hydraulicznych decydującą rolę  odgrywa  oddziaływanie  stacjonarne.  Dla  elementów  mechanicznych  takich  jak  stojaki hamulcowe oraz  śruby kotwiące bardzo duże  znaczenie ma  to,  że poddane  są działaniu czynników mechanicznych, które działają periodycznie. Oddziaływanie  to prowadzi do występowania  zjawiska zmęczenia materiału. 

Analizując  parametry  eksploatacyjne  należy  pamiętać  o  intensywności  działania  systemu hamulcowego.  System  taki  zatrzymuje  maszynę  wyciągową  podczas  każdego  hamowania bezpieczeństwa.  Używany  jest  także  podczas  hamowania  manewrowego,  gdy  naczynia  są załadowywane  i  rozładowywane.  Każdy  cykl  jazdy maszyny  wyciągowej  kończy  się  hamowaniem 

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Elementy układu hamulcowego

oddziaływanie stacjonarne

oddziaływanie periodyczner

oddziaływanie aperiodyczne

brak oddziaływania

manewrowym. Godzinową wydajność urządzenia wyciągowego, zgodnie z  (5), możemy przedstawić następująco: 

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅

⋅=

hMgQ

kTWg

3600

         

 

gdzie, T jest okresem jazdy łącznie z czasami załadunku i rozładunku, Q – masa ładunku użytecznego, k – współczynnik rezerwowy. 

Współczynnik rezerwowy jest stały dla danej maszyny wyciągowej, czyli wydajność zależy od dwóch parametrów: długości cyklu  jazdy oraz masy  ładunku użytecznego. Aby zwiększyć wydajność należy  zmniejszyć  okres  jazdy  lub  zwiększyć  ładunek  użyteczny.  Budowa  nowych  maszyn wyciągowych oraz modernizacja starych ma przeważnie na celu zwiększenie wydobycia a co za tym idzie  zmiana powyższych parametrów  tak  jak  zostało  to opisane. Biorąc pod uwagę niezawodność systemów  hamulcowych  oraz  ich  eksploatację  zmiany  powyższych  parametrów  powodują: zwiększenie  masy  ładunku  użytecznego,  czyli  zwiększenie  masy  biorącej  udział  w  hamowaniu, natomiast skrócenie okresu jazdy powoduje zwiększenie liczby działania systemu hamulcowego. Oba te parametry jak widać mają duży wpływ na niezawodność oraz eksploatację systemu hamulcowego. Dlatego niezbędne  są dalsze analizy  systemu hamulcowego pod  kątem  zwiększania niezawodności oraz usprawniania eksploatacji systemów hamulcowych. 

Jak  wynika  z  przeprowadzonej  analizy  system  hamulcowy  jest  systemem  złożonym składającym  się  z  wielu  elementów.  Na  wszystkie  te  elementy  oddziałuje  otoczenie  w  postaci warunków  środowiskowych  oraz  elementów maszyny wyciągowej  bezpośrednio wpływających  na system  hamulcowy.  Z  analizy warunków  środowiskowych  oraz  ich  oddziaływania  na  poszczególne elementy  systemu  hamulcowego  płyną  wnioski  przede  wszystkim  dla  projektantów, mianowicie, które  oddziaływania  należy  uwzględnić  w  pierwszej  kolejności  i  jak  się  przed  nimi  uchronić  lub zminimalizować  ich wpływ podczas etapu eksploatacji. Ciągłe dążenie do zwiększania wydobycia  jak również do utrzymywania bezpieczeństwa całej maszyny wyciągowej na wysokim poziomie wymaga przede wszystkim wysoko niezawodnego systemu hamulcowego w związku z  tym  istnieje potrzeba dalszego  podnoszenia  niezawodności  tego  systemu  oraz  dbania  o wysoką  jakość  elementów  tego systemu.  

   

Bibliografia 1. Wcisło, Agnieszka. Budowa krajowego systemu bezpieczeństwa wybranych obiektów technicznych i podstawy zarządzania tym systemem. Kraków : Zeszyty Naukowo‐Techniczne, KTL, 2000. 

2. Sztarski, Marian. Niezawodność i eksploatacja urządzeń elektronicznych.  

3. Hansel, Józef. Metody, sposoby i środki kształtowania bezpieczeństwa górniczych wyciągów szybowych. Kraków : Zeszyty Naukowo‐Techniczne, KTL, 2003. 

4. Popowicz, Oktawian. Transport kopalniany, Wyciągi Szybowe. Katowice : Wydawnictwo Górniczo‐Hutnicze, 1957. 

5. Hansel, Józef i Kawecki, Zygmunt. Urządzenia szybowe i przyszybowe. Kraków : Wydawnictwo AGH, 1989.