на главную страницу | электронная библиотека| отчет | аннотированные ссылки

Донецкий национальный технический университет

Автор: Кремешная Анна Александровна

Исследование пусковых режимов шахтных ленточных конвейеров с учетом переходных процессов в приводах

Специальность: "Эксплуатация машин и электроустановок горного производства"

Автореферат магистерской випускной работы


Руководитель работы: Грудачев Анатолий Яковлевич

Донецьк 2002

E-mail: kremeshnaya@ukrtop.com


Общая характеристика работы


В настоящее время Украина переживает тяжелое время становления в условиях затянувшегося перехода к рыночной экономике. Поэтому главное внимание на современном этапе должно быть направлено на ускорение социально-экономического развития нашего общества. Это касается также и одной из самых больших отраслей народного хозяйства Украины - угольной промышленности. В комплексе вопросов, стоящих перед угольной промышленностью по ее техническому перевооружению, большое место занимает совершенствование транспортных систем. Создание мощных высокопроизводительных ленточных конвейеров, обладающих высокими технико-экономическими показателями, возможно только на базе глубоких теоретических и экспериментальных исследований и уточненных методов расчета основных параметров и элементов конструкции. Ленточные конвейеры как наиболее экономичный, производительный и надежный вид транспорта массовых грузов получили широкое распространение в нашей стране и за рубежом. С увеличением длины конвейеров и их производительности особое значение приобретают вопросы динамики пуска. Вопросами пусковых режимов ленточных конвейеров занимаются отечественные и зарубежные ученые: член корреспондент АН СССР А.О.Спиваковский, проф. В.Г.Дмитриев, проф. Л.Г.Шахмейстер, проф. И.Г.Штокман, проф. Б.А.Кузнецов, д.т.н. Н.Я.Биличенко, к.т.н. Е.Х.Завгородний, к.т.н. В.И.Лескевич, к.т.н. В.М.Назаренко [1-16]. Много работ таких ученых, как проф. В.А.Шубенко, доц. Н.И.Зенкин, доц. В.М.Кирпичников, доц. В.Г.Потапов, доц. А.Н.Попов, посвящено динамическим процессам в электроприводе[17-24]. Исследования по данным вопросам ведутся в Уральском политехническом институте имени С.М. Кирова, КГРИ, Томском политехническом институте, Липецком политехническом институте, Днепропетровской горной академии, Фрейбергской горной академии, Донецком национальном техническом университете. Динамические процессы в ленточных конвейерах характеризуются появлением динамических натяжений, которые, алгебраически суммируясь со статическими, значительно увеличивают результирующие натяжения в конвейерной ленте и усилия в элементах конвейера. При пуске эти изменения могут привести к неустойчивой работе приводного барабана, например частичной или полной пробуксовке. Пробуксовка недопустима по многим причинам: происходят интенсивное изнашивание футеровки барабана и нижней обкладки ленты, нагрев барабана, резкое снижение коэффициента сцепления, при котором затрудняются пуск конвейера и его дальнейшая нормальная работа. Все это может стать причиной аварийных ситуаций и даже быть причиной возникновения пожара, что недопустимо в условиях шахт Донбасса, поскольку приводит не только к материальному ущербу, но и к большим человеческим жертвам. Динамические усилия увеличивают нагрузки в механизмах натяжных устройств, в редукторе и других элементах конвейера и должны учитываться при их прочностном расчете. Работы, учитывающие влияние динамических процессов в электроприводе на пуск ленточного конвейера, не удалось обнаружить. Однако наличие аналогичных работ, касающихся других видов горного оборудования, подтверждает актуальность этого вопроса. Являясь при динамических процессах переменной нагрузкой, конвейер оказывает влияние на пусковой процесс двигателя. Но существует и обратная связь: динамические процессы в двигателе влияют на процессы пуска и торможения ленточного конвейера. Определение и анализ этой взаимосвязи позволит с большей точностью определять значения динамических нагрузок, что поможет избежать нерациональных технических решений, повысить надежность системы ленточный конвейер - электропривод, а следовательно, резко снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций и увеличить производительность ленточного конвейера. Из выше сказанного следует, что тема данной работы актуальна.

Целью настоящей работы является анализ пуска ленточного конвейера, с учетом динамических процессов, возникающих при пуске электропривода.

Для достижения указанной цели поставлены следующие основные задачи:
  1. исследовать максимальные натяжения ленты при пуске ленточного конвейера;
  2. рассчитать максимальные динамические усилия при пуске ленточного конвейера и выполнить их анализ;
  3. исследовать время запуска ленточного конвейера;
  4. составить схемы замещения ленточного конвейера и электродвигателя;
  5. изучить динамические процессы при пуске электродвигателя;
  6. сопоставить время протекания и установить степень взаимосвязи динамических процессов двигателя и конвейера;
  7. проанализировать влияние динамических процессов в электродвигателе на пуск ленточного конвейера.

Научная новизна полученных результатов:
  1. Проанализировано влияние переходных процессов, возникающих при пуске двигателя, на скорость распространения упругой волны и динамическихнатяжений в ленте ленточного конвейера при пуске.
  2. Исследовано влияние динамических процессов при пуске на надежность и долговечность работы системы приводной барабан-двигатель.
  3. Преобразована нелинейная математическая модель асинхронного двигателя с учетом переменной нагрузки, которой является ленточный конвейер в период пуска.

Практическое значение полученных результатов:
Анализ системы приводной барабан-двигатель позволяет с большей достоверностью определять значения динамических нагрузок, которые влияют на определение технических характеристик устанавливаемых на конвейер двигателей. Дает возможность выбирать предварительные натяжения при пуске таким образом, чтобы исключить пробуксовку; контролировать время пуска для избежания непроизводительного холостого пробега конвейеров и дополнительного расхода электроэнергии.

В работе использованы теоретический анализ и метод инженерного анализа технических расчеов.

Материалы магисторской работы докладывались и обсуждались на Днях науки кафедры горнозаводского транспорта и логистики 2001-2002г.г., на II Международной научно-технической конференции аспирантов и студентов "Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых" (2002г.), на конкурсе студенческих научных работ ДонНТУ по разделу "Горное дело" (2001г.).



Содержание работы

1. Динамические процессы, протекающие в ленточном конвейере при пуске



1.1. Механизм распространения упругих волн в системе конвейерная лента — роликоопора

Лента, лежащая на роликоопорах, является механической системой с распределенными параметрами, поэтому возмущение какого-либо ее сечения представляет волновой процесс и приводит к распространению этого возмущения вдоль ленты с определенной скоростью.

Возмущением, как правило, является усилие привода, связанное для упругой линейной модели с деформацией соотношением

F = ЕFлди/дх,

где Е — модуль упругости ленты; Fл— площадь поперечного сечения ленты; и — деформация ленты.

Предположим, что в ленте отсутствуют прогибы и силы трения в подшипниках роликов. В этом случае скорость распространения упругой волны

,

где ρc— суммарная плотность соответствующей ветви ленты (верхней ρг, нижней ρп).

В процессе пуска конвейера существуют следующие фазы; фаза трогания, определяемая временем вовлечения всей ленты в движение; фаза формирования статического усилия на приводе конвейера, определяемая временем прихода к приводу отраженного от последней роликоопоры усилия Fp, и фаза увеличения скорости ленты до номинальной. Третья фаза практически не определяет динамических усилий. При пуске с предпусковой ступенью первая и вторая фазы объединяются в одну.

1.2. Скорость распространения упругих волн в конвейерной ленте

Скорость распространения упругой волны в ленте является одной из основных характеристик динамического процесса и во многом определяет амплитуды динамических нагрузок. В действительности лента располагается между роликоопорами не по прямой линии, а с некоторыми провесами, поэтому ее длина больше расстояния между роликоопорами. Часто длину ленты определяют, считая, что она имеет форму параболы.

 Скорость распространения упругой волны (м/с)

.

При наличии сил трения без смазочного материала Г. В. Тархановым получено выражение для скорости распространения упругой волны:

,


Рассмотрев механизм распространения упругих деформаций ленты во время пуска конвейера, можно сделать вывод о том, что имеются три скорости распространения упругой волны: скорость для конвейерной ленты как упругого физического тела (в расчетах динамических процессов практически не встречается); скорость, которая характеризует распространение упругих волн в конвейерной ленте, лежащей с провесами на роликоопорах, при условии, что силы трения сориентированы в сторону, противоположную предстоящему движению ленты; скорость с", характеризующая распространение упруго-вязких волн деформации, когда силы трения не сориентированы полностью.

1.3. Пуск конвейера с предпусковой ступенью

Динамические натяжения в ленте при нестационарном движении равны

Sдин = с1ρυ (t),

где υ(t) — скорость смещения сечения ленты (при пуске эта скорость совпадает по величине с текущей скоростью ленты); с1 - скорость распространения упругой волны; ρ – суммарная плотность соответствующей длины ленты [1].

Рассмотрим конвейер с грузовым натяжным устройством, расположенным в головной части. Дифференциальное уравнение движения привода

mпp dυ /dt + сгρгυ= F0 – W0 βДυ = ΔFβДυ;

(1)

приведенная к ободу барабана масса привода

mпp = k(GD)i /(gD).

где k — коэффициент, учитывающий инерцию редуктора, равный 1,2—1,3; βд— коэффициент, характеризующий наклон характеристики двигателя (рис. 1, прямые 1,2,3); βд=(F1 – F2 )/(υ1 - υ2); ΔF —избыточное по отношению к статическому сопротивлению движения усилие привода, равное F0 – W0 ; (GD)— маховой момент ротора двигателя; ip — передаточное число редуктора; g—ускорение свободного падения; Dб— диаметр приводного барабана.

Рисунок 1- Механические характеристики привода<

Если двигатель имеет характеристику вида 1 (рис. 1), то βд=0; для характеристики 2 - β д>0; для характеристики 3 - βд<0.

Решение дифференциального уравнения (1) при начальном условии υ0 при t = 0 имеет вид

.

Динамическое натяжение на набегающей ветви

Sдин.нб(t) = c ГρГ

на сбегающей ветви в соответствии с граничными условиями Sсб = const, S дин.сб = 0.

1.4. Исследование пуска ленточного конвейера с учетом переходных процессов в приводе

В [3] предложено устройство и метод непрерывной регистрации статических и динамических механических характеристик, где датчиком момента служит ускориметр инерционного типа с угольными датчиками. Механическая характеристика, полученная в результате эксперимента, имеет вид представленный на рис.2.

Рисунок 2 – Экспериментальная механическая характеристика асинхронной машины при пуске

Следовательно βд является переменной величиной при пуске и влияет на изменение величины динамического усилия.

Было проведено исследование пуска ленточного конвейера типа 1Л100К по методике, предложенной в [1]. Исходные данные:

длина конвейера L= 600м;

производительность Q=500т/час;

угол наклона β=0;

скорость движения ленты vн=3,15м /с;

распределенные линейные нагрузки от

ленты q л=245 Н/м;

вращающихся частей роликоопор

на верхней ветви qp' =110 Н/м;

на нижней ветви qp'' =55 Н/м;

ширина ленты В=1м;

коэффициенты сопротивления

для верхней ветви ωг'=0,03;

для нижней ветви ωп ''=0,04;

угол обхвата лентой приводных барабанов α=220°.

Результаты расчетов показали, что изменение βд от -200 до 200 Н·м/c приводят к изменению скорости ленты и динамического натяжения не более, чем на 0,5%.

1.5. Расчет времени пуска конвейера

Для определения времени разгона конвейера используется зависимость

,

где GDк2 – маховый момент конвейера; n – частота вращения; М ст- статический момент.

Динамический тормозной момент

,

(2)

где F дин – динамическое усилие; Rб – радиус барабана; υуст –скорость при установившемся режиме.

2. Динамические процессы, протекающие в двигателе ленточного конвейера при пуске

2.1. Колебания малой амплитуды в асинхронных двигателях

При периодическом изменении момента сопротивления Мc ротор двигателя совершает периодические колебания, которые вызваны переменной составляющей Mc . Среднее значение скольжения и выполняемая работа при малых колебаниях определяются средним значением момента сопротивления. Однако в процессе колебаний ротор отклоняется от среднего положения, что вызывает приращения потокосцеплений статора и ротора. Вследствие стремления потокосцеплений остаться неизменными возникают дополнительно демпферный и синхронизирующий электромагнитные моменты.

2.2. Пульсационные моменты при колебаниях ротора

Пульсационная составляющая электромагнитного момента обусловлена колебанием ротора около среднего положения и связанным с этим приращением потокосцеплений и токов.

Пульсационный момент при колебаниях ротора и несимметричном питании обусловлен действием прямого обратного поля, а также их взаимодействием.

Составляющая пульсационного момента, обусловленная взаимодействием пульсационных составляющих токов и потокосцеплений прямого и обратного поля с их средними значениями, соответствующими среднему скольжению.

2.3. Влияние параметров двигателя на его характеристики при периодической нагрузке

Величина пульсационных токов при периодическом изменении момента сопротивления может быть ограничена двумя способами.

Первый способ заключается в увеличении момента инерции вращающихся масс. Благодаря этому при данной переменной составляющей момента сопротивления пропорционально уменьшается степень неравномерности вращения и пульсация угла.

Сущность второго способа заключается в ограничении пульсационных токов за счет увеличения колебательного сопротивления при данной пульсации угла. Колебательное сопротивление при частоте вынужденных колебаний зависит от величины активного сопротивления и переходной реактивности ротора.

2.4. Нелинейная система уравнений для трехфазных асинхронных двигателей и исходные данные для ее решения

Исследование пусковых характеристик асинхронных двигателей при переменной нагрузке имеет большое значение, так как существенная неравномерность момента сопротивления приводит к особым условиям пуска.

В качестве математической модели двигателя при исследовании пусковых характеристик применена система уравнений (3).

Момент сопротивления нагрузки Мс задается функцией угла поворота. Система (3) справедлива для любого, сколь угодно сложного, закона изменения Мс.

 

;

;

;

(3)

;

;

,

где ; a ¢ s, a ¢ r – коэффициенты затухания статора и ротора; w 1 - скорость вращения ротора; ψ – потокосцепление; s — мгновенное скольжение двигателя, отн. ед.; γ — угол поворота ротора, рад; р – число пар полюсов; J— момент инерции вращающихся масс, кгм2, или дж • сек2 [4].

Для совместного решения системы уравнений (3), описывающей переходные процессы в электроприводе, и уравнения (2), описывающего динамические процессы, протекающие в тяговом органе ленточного конвейера, выполним преобразования.

Угловая скорость ротора

.

(4)

Угловая скорость барабана

.

(5)

Передаточное число редуктора

.

(6)

Из формулы (2), учитывая формулы (4-6), получим приведенный к ротору динамический момент сопротивления

,

(7)

.

(8)

Поскольку момент сопротивления в нашем случае является функцией времени, то число уравнений системы (3) сокращается до пяти, так как отпадает необходимость в определении угла поворота. Система дифференциальных уравнений (3) является нелинейной, поскольку содержит произведения искомых функций. Уравнения напряжений ротора содержат в правой части произведения составляющих потокосцеплений ротора на скольжение; уравнение движения включает в себя электромагнитный момент, зависящий от произведения потокосцеплений статора на потокосцепления ротора, и момент сопротивления, зависящий от времени.

Для решения системы начальные значения искомых функций выбираются соответствующими статической точке идеального холостого хода. Такой выбор при расчетах рабочих режимов очень удобен, так как для всех значений активного сопротивления ротора и нагрузки могут быть приняты одинаковые начальные условия. В рассматриваемой точке s=s нач=0. Принимаем потокосцепления равными нулю, записывая в правых частях первого и второго уравнений системы (3) составляющие неизменного напряжения. Таким образом, в начале решения мы рассматриваем переходные процессы, вызванные включением двигателя на соответствующее напряжение, а также переходные процессы, вызванные внезапным приложением нагрузки и переменной составляющей Мс.

Решение системы уравнений (3) с учетом уравнений (7,8) можно осуществить в пакете MatLab 5.3. Полученные результаты позволят уточнить основные параметры ленточного конвейера при пуске.

 


Перечень ссылок


  1. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г. Теория и расчет ленточных конвейеров. – 2-е издание, переработано и дополнено – М.: Машиностроение, 1987, - 336с.

  2. Транспорт на горных предприятиях. Под общей редакцией проф. Кузнецова Б.А., М.: “Недра” 1976, 552с. Авт.: Кузнецов Б.А., РенгеничА.А., Штокман В.Г. и др.

  3. Шубенко В.А., Кирпичников В.М., Томашевский Н.И. Установка для экспериментальной записи статических и динамических характеристик асинхронных машин.// Изв.вузов. Горный журнал, №1, 1968.

  4. Асинхронные двигатели при периодической нагрузке. Артемюк Б.Т., Киев: “Техніка”, 1972, - 200с.