Скребковый конвейер является основным средством транспорта горной массы в очистных забоях угольных шахт. От бесперебойности его работы зависит производительность добычного участка в целом.

Существующий электропривод подземного скребкового конвейера, содержащий гидромуфту, не достаточно эффективен, имеет ограниченные функциональные возможности. Механическая характеристика гидромуфты не позволяет осуществить разгон тягового органа конвейера с интенсивностью, безопасной для обслуживающего персонала. Измерениями установлено, что скребковая цепь незагруженного конвейера типа СП-202 разгоняется до скорости 1,2 м/с за время 1,2-2,0 с, т.е. с ускорением до 0,85 м/с2. Защита скребковой цепи от порыва малоэффективна, а процесс устранения порыва сопряжён с высокой трудоёмкостью работ. Срабатывание защиты гидромуфты сопряжено с простоями конвейера, обусловленными временем на повторную заливку в неё эмульсии, установку новой плавкой пробки. Также в существующем электроприводе невозможно реализовать снижение скорости движения скребковой цепи для выполнения технологических операций по доставке материалов.

Этим обуславливается актуальность создания более эффективного автоматизированного электропривода шахтного скребкового конвейера, обеспечивающего:

• реализацию пуска конвейера с интенсивностью разгона, удовлетворяющей требованиям безопасности обслуживающего персонала, и снижение его динамики;
• возможность длительной работы конвейера на низкой скорости в режиме доставки вспомогательных материалов в очистной забой.

Научная актуальность работы заключается в необходимости более полного исследования процессов в электромеханической системе «двухскоростной асинхронный электродвигатель – скребковый конвейер».

Цель работы – повышение эффективности двухскоростного асинхронного электропривода подземного скребкового конвейера за счёт научного обоснования параметров и создания устройства автоматизации процесса управления пуском.

1 СКРЕБКОВЫЙ КОНВЕЙЕР КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЗАЦИИ

содержание

Основные узлы скребкового конвейера (СК) (рис. 1): тяговый орган – скребковая цепь (СЦ) 6, рештачный став 5, приводные и натяжные станции.

СК может иметь одну или две приводные станции, включающие от одного до двух приводных блоков. Каждый приводной блок содержит: асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором (АД) 1, предохранительную гидромуфту 2 и трёхступенчатый коническо-цилиндрический редуктор 4. Наиболее распространен привод СК, состоящий из двух приводных блоков с АД мощностью по 55 кВт или 11О кВт, передающих вращающий момент на один приводной вал конвейера.

1 - асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором
2 - предохранительная гидромуфта;
3 - редуктор;
4 - приводная звёздочка;
5 - рештачный став;
6 - скребковая цепь.

Рисунок 1 - Упрощённая схема скребкового конвейера с четырьмя приводными блоками и продольным расположением приводных электродвигателей.

Эксплуатация забойного СК предусматривает следующие режимы его работы:
1) транспортирование угля из очистного забоя;
2) доставка вспомогательных и крепёжных материалов в очистной забой;
3) ремонтно-наладочные операции.

Транспортирование угля – это основной режим работы СК. Он требует создания больших тяговых усилий и обеспечения высокой производительности. Данный режим наиболее энергоёмкий, он осуществляется при работе всех приводных блоков и высокой скорости движения рабочего органа (0,8-1,2 м/с). Сдерживающими факторами увеличения скорости являются: интенсивный износ рабочих органов, значительные динамические нагрузки, опасность возгорания угля и др.

Доставка вспомогательных материалов не требует больших энергетических затрат и может осуществляться при меньшем числе работающих приводных блоков, в большинстве случаев данный режим требует реверсирования привода. Для обеспечения безопасности и удобства разгрузки конвейера в ограниченном пространстве доставку вспомогательных материалов целесообразно осуществлять на пониженной скорости. Согласно требованиям института МакНИИ, доставочная скорость не должна превышать 50% от рабочей скорости.

Ремонтно-наладочные операции характеризуются частыми пусками и реверсированиями привода и требуют управления конвейером в ручном режиме на пониженной скорости.

СК представляет собой сложную динамическую систему. Динамические усилия в тяговом органе в режиме пуска и при заклинивании СЦ могут достигать критических значений, приводящих к её порыву. С целью обеспечения плавного пуска, защиты элементов привода и СЦ от повреждений при динамических перегрузах скребковый конвейер оснащен гидромуфтами. Однако практика эксплуатации выявила ряд недостатков гидромуфт, обусловленных их низкой надежностью, недостаточной эффективностью действия. Так, в момент заклинивания СЦ до остановки турбинного колеса гидромуфты вся ее вращающаяся масса, складываясь с массой ротора АД, за счет инерции вызывает значительное дополнительное растягивающее усилие, повышая общее растягивающее усилие в цепи, что может привести к ее порывам

Особенностью гидромуфты является низкий уровень технологичности, обусловленный тем, что срабатывание ее защиты предопределяет длительную остановку конвейера на время, необходимое для повторной заливки гидромуфты эмульсией и установки новой предохранительной плавной вставки. Интенсивность выплавления вставок зависит от загруженности конвейера, уровня жидкости в гидромуфте, качества гидромуфты и самой вставки, и в ряде случаев достигает 3-4 раз в смену, что отрицательно сказывается на производительности очистного забоя.

Для скребкового конвейера характерным является высокий уровень сил сопротивления движению, т.к. транспортирование груза производится путем его волочения, а тяговым органом является тяжелая металлическая цепь со скребками. Коэффициент трения груза и тяговой цепи со скребками о желоб конвейера при пуске гораздо выше, чем при установившемся движении. Поэтому, требуется развивать высокий пусковой момент двигателей, в 1,5 - 1,7 раза больший значения, соответствующего моменту, уравновешивающего силы сопротивления движущегося тягового органа с грузом.
Механическая характеристика гидромуфты определяется уравнением [1]:

где а₁, а₂, а₃, - постоянные для отдельных зон семейства переходных характеристик;
М_Т - момент на валу турбинного колеса;
v_Н, v_Т - угловые скорости турбинного и насосного колес.

Из приведенного выражения следует, что высокий момент на валу турбинного колеса в процессе пуска может быть получен только при угловой скорости насосного колеса, близкой к номинальной. Таким образом, АД конвейера при пуске разгоняется вхолостую, а при достижении частотой вращения его ротора близкого к номинальному значения, движение передается скребковой цепи. Это сопровождается динамическими нагрузками в приводе и СЦ, интенсивным разгоном последней.

Как правило, став неработающего СК используется обслуживающим персоналом для передвижения по лаве. На нем находятся люди при ремонте и техническом обслуживании очистного оборудования. Поэтому интенсивный разгон СЦ при пуске сопряжен с опасностью травмирования людей.

Отмеченные недостатки обусловливают необходимость замены гидромуфты в приводе конвейера более надежным и эффективным пускозащитным устройством. По соображениям повышения безопасности и снижения динамики привода наиболее приемлемо осуществлять пуск СК в три этапа. На первом этапе - увеличить скорость привода от нулевого значения до уровня "ползучей" скорости. На этом этапе выбираются зазоры в передаче, движение ротора АД осуществляется за счет упругой деформации трансмиссии и тягового органа до начала вращения СЦ.

На втором этапе поддерживается уровень "ползучей" скорости привода конвейера. Величина этой скорости должна обеспечивать возможность беспрепятственного схода человека со става конвейера. Следовательно, "ползучая" скорость скребковой цепи не должна быть выше скорости передвижения человека по призабойному пространству, т.е. не превышать 0,3 м/с, что составляет приблизительно 30% от рабочей скорости современных конвейеров. Продолжительность работы привода конвейера на ступени "ползучей" скорости должна быть достаточной для схода человека со става конвейера. Далее производится разгон скребковой цепи до номинальной скорости.

Таким образом, для реализации обоснованной тахограммы пуска и обеспечения требуемых режимов работы СК необходимо применить систему автоматизированного электропривода, позволяющую получить устойчивую ступень пониженной скорости движения тягового органа СК.

2 КРИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ АНАЛОГИЧНУЮ ЗАДАЧУ

содержание

В настоящее время существуют следующие направления по автоматизации электроприводов подземных скребковых конвейеров:

• использование в качестве предохранительного устройства СЦ конвейера электромагнитных муфт сухого трения;
• применение электромагнитных муфт скольжения;
• применение электромагнитных муфт скольжения;
• применение автоматизированного электропривода на основе двигателя постоянного тока;
• применение асинхронного электропривода с использованием тиристорного регулятора напряжения;
• применение преобразователей частоты;
• применение пускорегулирующих устройств на основе тиристорных коммутаторов;
• применение привода с использованием двухскоростных асинхронных электродвигателей.

Применение электромагнитных муфт сухого трения [2] улучшает динамику пуска конвейера, т.к. его двигатель в этом случае может включаться вхолостую, а затем, с помощью электромагнита, плавно увеличивает тяговое усилие в СЦ. Однако практика эксплуатации показала, что после нескольких срабатываний стальные диски муфт притираются друг к другу, уменьшаются шероховатости их поверхностей, в результате чего муфта изменяет свою механическую характеристику.

Институтами Гипроуглемаш и Автоматгормаш разработан привод П110Э [3], содержащий планетарный редуктор и электромагнитную муфту скольжения (ЭМС). Основу последней составляет индуктор, расположенный в зазоре магнитопровода с обмоткой возбуждения (ОВ). Величина вращающего момента АД, передаваемого через планетарный механизм на СЦ конвейера, зависит от величины скольжения индуктора и регулируется током обмотки возбуждения.

Основной недостаток привода с ЭМС - высокая сложность и стоимость изготовления, малый КПД системы, инерционность защиты СЦ от порывов при заклинивании, поскольку команда на защиту СЦ отрабатывается электромеханической системой. Применение привода с ЭМС связано с большими издержками как у изготовителя, так и у потребителя.
Существенными преимуществами автоматизированного электропривода скребкового конвейера с применением двигателей постоянного тока (ДПТ) последовательного возбуждения [4] являются: возможность регулирования скорости движения тягового органа в широком диапазоне, уменьшение динамических нагрузок, повышение статического момента по сравнению с асинхронным электроприводом, исключение из состава привода гидромуфт. Регулирование частоты вращения ДПТ осуществляется посредством тиристорного управляемого выпрямителя, для защиты тягового органа конвейера от повреждения при стопорении в приводе предусмотрены защиты по производной момента нагрузки и по интегралу от электромагнитного момента. Измерение момента нагрузки производится косвенными методами по сигналам датчиков скорости и тока.
Недостатки этого привода, которые ограничили его распространение в системах шахтного конвейерного транспорта, связаны с высокой стоимостью и низкой надежностью (коллекторный узел) ДПТ, сложностью осуществления его взрывозащиты, усложнением как системы электроснабжения, так и системы электропривода.

Принцип действия тиристорных асинхронных электроприводов на основе трехфазных тиристорных регуляторов напряжения (ТРН) заключается в изменении величины напряжения подаваемого на АД горной машины при его пуске. Защита от порывов тягового органа при стопорениях в них обеспечивается индукционно-динамическим торможением АД. Однако, управление пуском СК, предполагающее изменение в процессе пуска электромагнитного момента его АД по заданному закону, не позволяет получить устойчивую ступень пониженной скорости СЦ, предопределяет зависимость интенсивности разгона привода от величины момента сопротивления движению.

Наиболее широкими регулировочными возможностями АД обладают преобразователи частоты (ПЧ) [5]. Они управляют непосредственно частотой вращения ротора, изменением частоты напряжения на статоре. Эти положительные качества реализуются без использования обратной связи по скорости привода.
Однако, ПЧ конструктивно сложны, содержат большое количество силовых полупроводниковых приборов (СПП). Это определяет их высокую стоимость, значительные массогабаритные параметры, затрудняет рудничное взрывозащищенное исполнение их оболочек, эффективное охлаждение СПП. По этим причинам ПЧ затруднительно использовать в угольных шахтах.

Маловентильные силовые тиристорные коммутаторы (СТК) тока наряду с импульсным и фазовым регулированием величины трехфазного напряжения позволяют формировать квазисинусоидальные напряжения пониженных частот, а значит – изменять частоту вращения подключаемого асинхронного двигателя. Отмеченные особенности СТК наиболее полно учтены и раскрыты А.А.Шавелкиным [6] при разработке тиристорного пускорегулирующего устройства для асинхронного электропривода горных машин. В схеме этого устройства был принят реверсивный силовой тиристорный коммутатор, состоящий из пяти пар встречно-параллельно включенных тиристоров. Такой коммутатор позволяет реализовать плавный пуск электродвигателя горной машины посредством комбинированного квазичастотно-фазового управления. Предложенная схема управления коммутатором обеспечила повышение энергетических показателей привода, расширение диапазона регулирования при квазичастотном управлении. Однако в ней не в полной мере учтены особенности работы электропривода подземного скребкового конвейера: не предусмотрены средства защиты его тяговой цепи от динамических перегрузов.

Дальнейшим этапом в развитии тиристорного электропривода СК было
создание тиристорных пуско-защитных аппаратов АТКС и АПМ. Данные аппараты, выполненные на основе нереверсивного СТК (содержащего три пары встречно-параллельно включенных силовых тиристоров), обеспечивают :
­ плавный пуск с устойчивой ступенью пониженной скорости (без использования ООС) посредством квазичастотного электропитания приводных двигателей;
­ ограничение динамических усилий в тяговой цепи при заклинивании с последующим устранением этого заклинивания.

Однако влияние ЭДС вращения ротора на процессы в системе СТК-АД является причиной высоких значений квазисинусоидальных токов, близких к номинальным пусковым. Это обусловливает необходимость ограничения продолжительности квазичастотного электропитания АД по критерию его допустимого нагрева. Недостатками данных аппаратов является также сложность конструкции, обусловленная, наличием СПП со средствами их охлаждения и необходимость применения специальных защит от аварийных режимов эксплуатации СТК.

Одним из новейших направлений в рассматриваемой области является применение электропривода СК на основе двухскоростных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Данные двигатели имеют две гальванически несвязанные обмотки статора с различными числами полюсов, что обеспечивает их работу двух устойчивых скоростных режимах. Это позволяет использовать режим пониженной скорости для обеспечения ступенчатого пуска СК, выполнения наладочных работ и операций по доставке вспомогательных материалов по лаве, а режим высокой скорости – для транспортировки угля из очистного забоя при его добыче. Для переключения режимов работы в данном случае необходимо управлять контакторами, включающими независимые обмотки статора, что не требует сложной системы управления. Указанные достоинства позволяют принять данную систему электропривода как наиболее эффективную для решения поставленных задач.

Данный электродвигатель имеет водяную одноконтурную систему охлаждения, и требует непрерывного водоснабжения, для контроля которого в корпус двигателя встроен дискретный датчик давления и воды. Для обеспечения контроля температуры обмоток в электродвигатель встроена группа аналоговых датчиков температуры - позисторов.

3 ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ

содержание

Для автоматизированного управления приводом двухскоростного СК необходимо разработать устройство, позволяющее реализовать предложенную диаграмму скорости при пуске конвейера, а также обеспечивающее работу на низкой скорости в режиме доставки материалов. Необходимо предусмотреть возможность задания времени пуска на низкой скорости и времени разнесенного пуска. Разрабатываемое устройство должно управлять конвейером при количестве приводных блоков от одного до четырёх.

Для обеспечения удобства и безопасности эксплуатации конвейера в лаве необходимо предусмотреть возможность выбора пункта управления (с пульта управления комбайном, с головного привода, хвостового привода). В соответствии с правилами безопасности [7], устройство управления должно обеспечивать автоматическую подачу предупредительного звукового сигнала перед включением конвейера и контроль его прохождения.

Для предотвращения аварий и обеспечения безопасной работы конвейера проектируемое устройство автоматизации должно обеспечивать осуществление следующих защит:
1) максимальную токовую защиту (МТЗ) питающих электродвигатели силовых линий;
2) защиту от перегруза (ТЗП) электродвигателей на обеих скоростях;
3) защиту от перегрева обмоток обеих обмоток электродвигателей;
4) защиту от потери управляемости при повреждениях в цепях управления;
5) защиту от самопроизвольного включения при повышении напряжения питания или сбое системы управления;
6) защиту от работы электродвигателей без достаточного давления воды системы охлаждения.

Необходимость быстрой оценки ситуации и принятия решений по управлению при работе конвейера в условиях значительной разнесенности приводных станций требует от устройства автоматизации обеспечения широких информационных возможностей. Должна предусматриваться следующая индикация:
1) индикация работы приводных блоков;
2) индикация уровня нагружения каждого двухскоростного электродвигателя;
3) индикация причины произошедшего отключения;
4) индикация целостности цепей датчиков и схемы управления.
Необходимо также выполнение требований по взрывозащите аппаратов и искробезопасности выходных цепей.

Перечень ссылок

содержание

1. Расчёт и конструирование горных транспортных машин и комплексов / Под ред. И.Г. Штокмана. –М.: Недра, 1975.-464 с.
2. Сигалов Л.Н. Исследование забойного скребкового конвейера с электро-магнитной муфтой сухого трения // Автореф. дис.... канд. техн. наук. – Донецк, ДПИ, 1968. – 28 с.
3. А.с. 572022 СССР, МКИ2В65GG23/26. Привод скребкового конвейера / И.В. Рикман, Б.Я. Маластовский, В.Н. Хорин и др (СССР). - №2101854/03; Заяв-лено 13.02.75; Опубл. 25.05.78, Бюл. №19. – 2 с.: 1 ил.
4. Краус Э.Г., Брейдо И.В., Леусенко А.В. Экспериментальные исследова-ния тиристорного электропривода постоянного тока для шахтных скребковых конвейеров // Уголь. – 1987, №2.-с. 36-38.
5. Справочник по преобразовательной технике / Под ред. И.М.Чиженко. – Киев: Техника, 1978. –447 с.
6. Шавелкин А.А. Тиристорное пускорегулирующее устройство для асин-хронного электропривода горных машин // Автореф. дис.... канд.техн.наук. – Одесса, ОПИ, 1988. - 16с.
7. Правила безопасности в угольных шахтах. – Киев: 1996. -422

---