Статья посвящена вопросу неэффективности энергопотребления угольного комбайна при работе на маломощных пластах. При увеличении скорости подачи комбайна заштыбовка шнека наступает задолго до момента максимального использования мощности электродвигателя привода резания. Это приводит к тому, что угольный комбайн работает в режиме затянувшейся заштыбовки шнека с завышенными удельными энергозатратами. В статье формулируется критерий определения начала процесса заштыбовки шнека автоматической системой управления для обеспечения энергосберегающего режима работы комбайна. Угольные комбайны – одни из наиболее энергоемких шахтных объектов, однако до сих пор в алгоритме управления комбайном, который заложен в современных регуляторах режимов работы, в том числе и в заграничных аналогах, не учитывается количество электроэнергии, затрачиваемой на добычу угля. Для угольных комбайнов, которые работают на мощных пластах с высокими скоростями подачи, такой подход оправдан тем, что в интенсивных режимах работы имеет место минимальное удельное энергопотребление. Но на маломощных пластах, при другом конструктивном исполнении комбайнов минимальный вариант автоматизации режимов работы становится неэффективным. При увеличении скорости перемещения комбайна момент заштыбовки шнека наступает задолго до момента максимального использования мощности электродвигателя привода резания. Это приводит к тому, что угольные комбайны работают в режиме заштыбовки шнека, при котором в 1,5–2 раза увеличиваются удельные энергозатраты из-за значительного давления угля на лопасти при транспортировке и погрузке угольной массы в объемно сжатом состоянии. Ухудшается сортность угля, повышается запыленность атмосферы в забое. Если учесть, что 80 процентов пластов, которые отрабатываются в Донецком бассейне, – маломощные, то становится ясно, что проблема несовершенства алгоритма управления угольным комбайном для маломощных пластов сегодня является актуальной. Поэтому необходим новый принцип построения автоматических систем управления добычными комбайнами с учетом минимизации количества потребляемой комбайном электроэнергии без потери его производительности. Для создания нового принципа построения системы автоматического управления добычным комбайном необходимо разработать методы обнаружения заштыбовки на исполнительном органе комбайна. В ходе поиска параметра, по которому определяется заштыбовка, мощность электродвигателя привода резания рассматривается как векторная сумма двух составляющих. Одна из составляющих связана с процессом разрушения угольного массива, а другая – с транспортированием и погрузкой угля на конвейер. При этом поставлены две задачи: – составляющая, которая связана с разрушением угля и которая содержит в себе возмущающие воздействия, искажающие информацию о режиме погрузки угля, должна быть устранена при статистической оценке мощности электродвигателя привода резания; – параметр должен отражать нарушение динамики составляющей мощности, связанной с транспортированием и погрузкой угля, при заштыбовке шнека на ранней стадии. Для того чтобы решить вторую задачу при выборе параметра определения заштыбовки, проведен анализ динамики мощности погрузки, показанной на рис. 1. В верхней части рисунка жирной линией показано наступление интервалов силовой погрузки и транспортирования угля в полупериодах оборота исполнительного органа (тонкая линия). В нижней части рисунка показана соответствующая динамическая картина изменения мощности погрузки при заштыбовке шнека. На верхней части рис. 1 значение «1» по оси ординат соответствует интервалу во времени, в течение которого имеет место силовая погрузка или транспортирование угля.

 

Рисунок 1 – Динамические картины интервалов силовой погрузки угля одной лопастью (сверху) и составляющей мощности, затрачиваемой на погрузку угля (снизу)

Как видно по верхней части рис. 1, на начальной стадии процесса заштыбовки длительность интервалов силовой погрузки незначительная (до 18 секунды моделирования), но далее интервалы силовой погрузки угля становятся постепенно шире и после 33 секунды моделирования значение «1» по оси ординат наблюдается почти постоянно. Соответственно, если смотреть на нижнюю часть рисунка, до 18 секунды наблюдаются короткие скачки мощности с 24 кВт до 66 кВт. Далее, с 18 по 33 секунды моделирования, длительность интервалов повышенного значения мощности постепенно увеличивается, становясь шире с увеличением объема циркулирующего угля. После 33 секунды моделирования мощность погрузки в основном находится на уровне 60 кВт. В процессе тщательного анализа динамики мощности погрузки при заштыбовке шнека были выявлены следующие особенности: – если за начальное положение шнека принять тот момент, когда конечный участок лопасти выходит из зоны скопившегося угля возле разгрузочного торца (точка N на рис. 2), то интервал силового транспортирования угля появляется в конце периода оборота шнека. Он имеет место, когда лопасть находится на слишком близком расстоянии от корпуса редуктора привода резания в зоне скопившегося угля, из-за чего окно выгрузки угля уже закрыто, и оставшийся в рабочем объеме уголь заклинивается между поверхностями лопасти и корпуса редуктора. Интервал силового транспортирования угля постоянно заканчивается в конце периода оборота шнека, когда лопасть уходит из зоны скопившегося угля возле разгрузочного торца исполнительного органа. Если заштыбовка затягивается, интервал силового транспортирования угля удлиняется в сторону начала периода оборота шнека; – интервалы силовой погрузки всегда заканчиваются в момент закрытия окна выгрузки (для комбайна УКД300 с двулопастным шнеком диаметра 0,9 м, он равен 4,681 рад) на 0,572 секунде оборота шнека, период вращения которого равен 0,768 секундам. Если заштыбовка затягивается, интервал силовой погрузки угля удлиняется в сторону начала периода оборота шнека. В силу приведенных наблюдений можно сделать следующий вывод: если период оборота шнека разбить на два полупериода, как показано на рис. 2, а, то в начальной стадии заштыбовки шнека интервалы силовой погрузки и транспортирования угля будут приходиться на второй полупериод оборота шнека. На рис. 2, а римскими цифрами обозначены полупериоды оборота исполнительного органа, символом N – подвижная система координат, привязанная к первому резцу лопасти у разгрузочного торца. Исполнительный орган находится в исходном положении, когда ось N повернута относительно оси Z неподвижной системы координат на угол γ, равный 230 (при этом конечный участок лопасти выходит из зоны скопившегося угля возле разгрузочного торца).

Рисунок 2 – Схемы исполнительного органа (вид со стороны разгрузочного торца)

Подтверждением сделанного выше вывода являются результаты моделирования работы шнека с заштыбовкой, представленные на верхней части рис. 1. Первый полупериод оборота шнека, обозначенный на рис. 2, а римской цифрой «I», имеет место на временных интервалах, когда тонкая линия находится на значении «1,2» по оси ординат. Соответственно второй полупериод, обозначенный римской цифрой «II», имеет место на остальных временных интервалах, когда тонкая линия находится на значении «0» по оси ординат. Значение «1» по оси ординат для жирной линии соответствует интервалу во времени, в течение которого имеет место силовая погрузка или транспортирование угля. Как видно из рис. 1, с 18 по 28 секунды моделирования, в момент перераспределения длительностей интервалов несиловой и силовой погрузок угля, жирная линия находится на значении «1» по оси ординат на тех временных интервалах, когда тонкая линия находится на значении «0». Рассмотрим справедливость сделанного вывода для наиболее распространенной конструкции шнека с двумя лопастями. На верхней части рис. 3 значение «1,2» по оси ординат для тонкой линии соответствует первому полупериоду оборота шнека, а значение «1» для жирной линии соответствует силовому режиму погрузки или транспортирования угля шнеком. Из-за наличия второй лопасти, размещенной на шнеке со сдвигом 180 градусов относительно первой лопасти, в периоде оборота шнека появляются дополнительные интервалы силовых погрузки и транспортирования угля, сдвинутые во времени относительно интервалов силовой погрузки, относящихся к первой лопасти, на полупериод оборота шнека. Таким образом, на первом полупериоде оборота шнека на ранней стадии заштыбовки также имеют место интервалы силовой погрузки и силового транспортирования угля, из-за чего характер протекания процесса заштыбовки шнека на двух полупериодах оборота становится практически одинаковый. Для того чтобы выделить только те интервалы оборота шнека с двумя лопастями, на ко-торых имеют место силовые режимы погрузки и транспортирования угля, необходимо рассматривать не один конечный участок периода оборота шнека, а два конечных участка полупериодов оборота. На данных интервалах периода оборота шнека участки лопастей у разгрузочного торца находятся вблизи корпуса редуктора у почвы, и, как следствие, именно на них начинают появляться интервалы силовой погрузки и транспортирования угля в начальной стадии заштыбовки. Для выделения вышеназванных интервалов в периоде оборота шнека, весь период делится на четыре равных участка, как показано на рис. 2, б. За начальное положение шнека принимается момент, когда одна из лопастей выходит из зоны скопившегося угля возле разгрузочного торца. Первый и третий участки (четверти) периода оборота шнека обозначены римской цифрой один, второй и четвертый – римской цифрой два. На нижней части рис. 3 значение «1, 2» по оси ординат для тонкой линии соответствует моменту протекания первой и третьей четверти периода оборота шнека, значение «0» – второй и четвертой. Как видно из рис. 3, значение «1» по оси ординат для толстой линии с 10 по 17 секунды моделирования имеет место в моменты времени, когда тонкая линия находится на значении «0» по оси ординат. То есть, на ранней стадии заштыбовки интервалы силовой погрузки и транспортирования угля появляются в конце полупериодов оборота шнека, если за начальное положение шнека принять момент выхода лопасти из зоны скопившегося угля возле разгрузочного торца. Отсюда можно сделать вывод, что средняя мощность, замеренная в течение вторых и четвертых четвертей периода оборота шнека с двумя лопастями, при начале заштыбовки становится больше по сравнению со средней мощностью, замеренной на первых и третьих четвертях периода оборота шнека. Данная закономерность используется для обнаружения начала процесса заштыбовки шнека.

Рисунок 3 – Размещение интервалов силовой погрузки (жирная линия) на полупериодах оборота шнека с двумя лопастями (рисунок сверху) и четвертях периода (рисунок снизу)

За параметр, по которому фиксируется заштыбовка шнека, принят коэффициент отношения среднего значения мощности, усредненной на вторых половинах полупериодов оборота шнека, к среднему значению мощности, усредненной на первых половинах полупериодов оборота шнека. Таким способом решается вторая поставленная задача и устраняется из параметра, по которому определяется начало процесса заштыбовки, составляющая мощности, связанная с разрушением угля. Это достигается благодаря тому, что на соседних четвертях периода оборота шнека, для каждой из которых усредняется свое значение мощности двигателя привода резания, имеет место практически одинаковое изменение во времени низкочастотных составляющих мощности.

Рисунок 4 – Динамика коэффициента отношения средних мощностей при заштыбовке шнека, которая началась на 5 секунде моделирования, (сплошная линия) и без заштыбовки шнека (пунктирная линия)

Выводы

Критерий определения заштыбовки будет следующим: если в процессе работы комбайна коэффициент отношения мощности Рср.11 , усредненной на вторых половинах полупериодов оборота шнека, к мощности Рср.1, усредненной на первых половинах полупериодов оборота шнека, превысит верхнее пороговое значение «1,11» или станет меньше нижнего порогового значения «0,98», то имеет место заштыбовка исполнительного органа. Как показали результаты имитационного моделирования, представленные на рис. 4, выведенный критерий позволяет безошибочно определять заштыбовку шнека на ранней стадии (за 8,5 секунд) при превышении коэффициента отношения средних мощностей верхнего порогового значения «1,11», тогда как при других режимах работы комбайна значение коэффициента не выходит из указанных пределов.

Список использованной литературы

1. Горбатов П.А. – Гірничі машини для підземного видобування вугілля: Навч. посіб. для вузів/ П.А. Горбатов, Г.В. Петрушкін, М.М. Лисенко, С.В. Павленко, В.В. Косарев // Під заг. ред. П.А. Горбатова. – Донецьк: Норд Комп’ютер, 2006–669 с.