Автоматизация технологического процесса добычи угля является одним из основных направлений развития современной угледобывающей промышленности. От уровня развития средств автоматизации и от общего научно-технического уровня всей отрасли горной промышленности зависит эффективность процесса добычи угля в шахтах, безопасность обслуживающего персонала машин и механизмов, надежность и безаварийность эксплуатации оборудования.

        Процесс добычи угля, как объект автоматизации, состоит из следующих составных частей: выемка угля; транспортировка угля по забою до места погрузки; крепление выработанного пространства.

        Транспортировка угля по очистному забою до места погрузки осуществляется с помощью скребковых конвейеров. Скребковый конвейер представляет собой средство транспорта непрерывного действия, тяговым органом которого является бесконечная цепь (одна, две или три) с закрепленными на ней скребками. При движении цепи скребки захватывают транспортируемый материал и перемещают его по желобу в направлении движения цепи [1].

        Комплекс забойных конвейеров используют при разработке пласта:
        длинными забоями с транспортированием угля вниз по падению пласта и с выносом разгрузочной секции в штрек и с применением дополнительного короткого перегружателя, чаще всего скребкового или ленточного типа; в штреке при этом оборудуют передвижной погрузочный пункт;
        длинными забоями с надштрековыми целиками и транспортированием угля вниз вдоль лавы и далее — по просеку и печи (при этом погрузочный пункт в штреке — полустационарный);
        спаренными длинными лавами, из которых уголь поступает на сборный штрек; конвейер верхней лавы транспортирует уголь вниз, а нижний — вверх.

        Короткие скребковые конвейеры находят применение в коротких лавах, погрузочных машинах, бункерных поездах, перегружателях, штрековых грузчиках и др. [2].

        На рисунке 1 показана упрощенная структурная схема технологического процесса транспортирования угля по очистному забою. На нем показан очистной комбайн, осуществляющий выемку угля, который затем попадает на скребковый конвейер и перемещается на нем до перегружателя, находящегося на штреке.

Рисунок 1 - Упрощенная структурная схема технологического процесса транспортировки угля по очистному забою

        Характерной особенностью работы конвейеров является большой момент сопротивления покоя, который, как правило, превосходит номинальный вследствие полной или частичной загрузки конвейерного става, его заштыбовки, застывания смазки и других причин. Увеличение нагрузки в ленточных конвейерах в ряде случаев происходит из-за заштыбовки приводных и натяжных барабанов, отклонения от оси тягового (несущего) органа – ленты, неудовлетворительного состояния несущих и поддерживающих роликов. Нагрузка в скребковых конвейерах чаще всего возрастает из-за заштыбовки холостой ветви, возникающей вследствие конструктивных недостатков или неправильной эксплуатации [3].

        2. Цели и задачи работы

        Целью проектирования является повышение эффективности процесса транспортирования угля по очистному забою путем обоснования алгоритма и структуры аппаратуры автоматизации и разработки на этой основе двухприводного конвейера.

        Условия эксплуатации, режимы работы и конструктивные исполнения приводных станций скребковых конвейеров формируют следующие требования, предъявляемые к их электроприводам:
        - использование в качестве электропривода рудничных и взрывозащищенных электродвигателей повышенной надежности под землей и защищенных или нормального исполнения электродвигателей на поверхности;
        - обеспечение высокой перегрузочной способности при возможно меньших пусковых токах;
        - обеспечение плавности пуска;
        - равномерное распределение нагрузки между электродвигателями при многодвигательном электроприводе [4].

        Система автоматического управления электроприводом забойного скребкового конвейера должна обеспечивать:
        - раздельное включение верхней и нижней приводных станций;
        - подачу по всей длине конвейера автоматического предупредительного сигнала перед пуском;
        - повышенный пусковой момент;
        - формирование следующей тахограммы пуска конвейера: на первом этапе плавно увеличить скорость привода до уровня «ползучей» скорости. На этом этапе выбираются зазоры в передаче, и натяжение рабочей ветви тяговой цепи. На втором этапе поддерживается уровень «ползучей» скорости привода конвейера. Величина этой скорости должна обеспечить возможность беспрепятственного схода человека со става конвейера («ползучая» скорость не должна превышать 0.3 м/с). Продолжительность работы привода конвейера на ступени «ползучей» скорости должна быть достаточной для схода человека со става конвейера (5-7 с). Далее, на третьем этапе, производится плавный разгон до номинальной скорости;
        - ограничение времени удержания усилия при неуспешном запуске (6 – 8 секунд) для предотвращения перегрева электроприводов;
        - автоматическую расштыбовку конвейера;
        - отключение конвейера с пульта комбайна, с пультов, установленных в лаве (через 10 м) и у его приводных станций;
        - автоматическое отключение конвейера при обрыве тяговой цепи;
        - автоматическую защиту приводов и тяговой цепи конвейера от динамических перегрузок при заклинивании цепи;
        - возможность получения специальной доставочной скорости (не более 0,7 м/с);
        - ограничение усилия конвейера на уровне половины от номинального усилия при работе с доставочной скоростью.

        3. Научная новизна

        Исследования режимов работы забойных конвейеров, проведенные в нашей стране и за рубежом, выявили ряд существенных недостатков присущих конвейерной системе, состоящей из двух нерегулируемых электроприводов связанных между собой скребковой цепью. К наиболее существенным можно отнести следующие недостатки:
        - недостаточно эффективное выравнивание нагрузок между приводами;
       - необходимость относительно большого предварительного натяжения скребковой цепи для предотвращения переворачивания скребков и складывания звеньев цепи, что повышает трение скребковой цепи о рештак, снижает срок ее службы и К.П.Д. системы в целом;
        - наличие гидродинамических пускопредохранительных муфт снижает надежность конвейера и безопасность его работы [5].

        Внедрение серийной аппаратуры АУП-110Э для конвейерных приводов с электромагнитной муфтой скольжения позволило частично устранить указанные недостатки и получить дополнительные преимущества. Кроме более согласованной работы приводов при пуске конвейера реализованы режим автоматической расштыбовки конвейера без реверса его электроприводов, выравнивание нагрузок приводов в процессе работы, пониженная («ползучая») скорость цепи после успешного пуска конвейера в течение 10с, снижение скорости цепи и ограничение усилия во вспомогательном режиме работы конвейера.

        Кроме этого исследования показали, что раздельное регулирование электроприводами скребкового конвейера позволяет не только выравнивать нагрузку, но и рационально распределять ее между приводами. За счет рационального распределения нагрузки можно уменьшить силу натяжения холостой цепи при неполной загрузке конвейера, что повышает его КПД и уменьшает износ цепи.

        4. Обзор существующих исследований и разработок

        Наиболее полные исследования динамики скребковых конвейеров выполнены профессором И.Г. Штокманом. В его работах получили объяснение явления резонанса в тяговых цепях, разработана методика расчета динамических нагрузок и выбора основных параметров конвейера, обеспечивающих снижение динамических нагрузок в скребковой цепи. Значительный вклад в теорию привода скребкового конвейера внесли Б.А. Скородумов, Л.И. Чугреев, О.Ф. Вихров. Их работы углубили понимание физических процессов в скребковом конвейере при пуске и стопорении его тяговых цепей.

        В качестве предохранительного устройства скребковой цепи конвейера был предложен ряд электромагнитных муфт сухого трения. Их применение улучшает динамику пуска конвейера, т.к. двигатель в этом случае может включаться вхолостую, а затем, с помощью электромагнита плавно увеличивает тяговое усилие в скребковой цепи. 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.

        В Стахановском филиале КГМИ [6] разработан привод скребкового конвейера со стартовым электродвигателем постоянного тока последовательного возбуждения, питание которого осуществляется от управляемого тиристорного выпрямителя. К недостаткам этого привода следует отнести сложность конструкции (требуется дополнительный редуктор, коммутационная аппаратура, управляемый тиристорный выпрямитель, и, собственно, двигатель постоянного тока) и низкий коэффициент использования установленной мощности двигателя постоянного тока.

        Одним из направлений совершенствования электропривода скребкового конвейера явилось применение в качестве рабочих двигателей постоянного тока последовательного возбуждения. Исследования, проведенные в ИГД им. Скочинского [7], выявили ряд существенных преимуществ такого привода конвейера: возможность регулирования скорости движения тягового органа в широком диапазоне (1:15), уменьшение динамических нагрузок, повышение статического момента по сравнению с асинхронным электроприводом, исключение из состава привода гидромуфт. Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока осуществлялось 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) двигателя постоянного тока, сложностью осуществления его взрывозащиты, усложнением как системы электроснабжения так и системы электропривода.

        Весомый вклад в дело совершенствования электропривода шахтных конвейеров внесли В.С. Бутев, М.И. Голубев, разработавшие тиристорные асинхронные электроприводы на основе трехфазных тиристорных регуляторов напряжения, соответственно для скребковых и ленточных конвейеров. Их исследования показали, что асинхронный тиристорный электропривод конвейер способен выполнять основные функции привода, оснащенного гидромуфтами, более надежно. Были обоснованы параметры системы торможения привода скребкового конвейера, при которых обеспечивалась защита скребковой цепи от порывов при стопорении. В результате, были исследованы силовые тиристорные управляющие устройства, принцип действия которых заключается в изменении величины напряжения подаваемого на асинхронный двигатель привода при его пуске. Защита от порывов тягового органа при стопорениях обеспечивалась индукционно-динамическим торможением.

        Однако в этих работах не был решен ряд актуальных вопросов. Так, разработанная методика формирования переходного процесса пуска скребкового конвейера, предполагающая изменение в процессе пуска электромагнитного момента его асинхронного двигателя по заданному закону, не позволяла получить устойчивую ступень пониженной скорости тяговой цепи, предопределяла зависимость интенсивности разгона привода от величины момента сопротивления движению, не предусматривала реализацию операций по автоматической расштыбовке конвейера.

        Дальнейшее развитие асинхронный тиристорный электропривод шахтного скребкового конвейера получил в аппаратуре АСТК. В данной работе обоснована разработка асинхронного тиристорного электропривода подземного скребкового конвейера, обеспечивающего плавный пуск со ступенью пониженной скорости скребковой цепи, ограничение динамических усилий в тяговом органе при заклиниваниях с последующим их автоматическим устранением и снабженного быстродействующей защитой от коротких замыканий и неполнофазного электропитания асинхронных двигателей.

        На основании обоснованных параметров и положительных результатов экспериментальных исследований разработан алгоритм управления силовым тиристорным коммутатором в приводе подземного скребкового конвейера и создан силовой тиристорный аппарат управления приводом подземного скребкового конвейера (АСТК). Промышленные испытания этого аппарата подтвердили полное соответствие разработанной системы тиристорного асинхронного электропривода предъявленным требованиям.

        Однако системам на основе тиристорного электропривода свойственны следующие недостатки, которые ограничивают их применение:
        1). Системы тиристорного электропривода сложны, имеют относительно большие габариты и стоимость. Для обеспечения раздельного регулирования необходимо иметь две системы, что экономически нецелесообразно.
        2). Эти системы создают в питающей сети помехи в виде высших гармоник, что отрицательно сказывается на работе всех объектов энергосистемы. Устройства снижения помех имеют большую стоимость.
        3). Для всех типов преобразователей (тиристорных, транзисторных) не решены проблемы защиты от токов утечки на землю.

        Институтами Автоматгормаш и Гипроуглемаш разработан аппарат автоматического управления приводом П110Э, содержащим планетарный редуктор и электромагнитную муфту скольжения (ЭМС). Основу последней составляет индуктор, расположенный в зазоре магнитопровода с обмоткой возбуждения. Величина вращающего момента асинхронного двигателя, передаваемого через планетарный редуктор на тяговую цепь конвейера, зависит от величины скольжения индуктора и регулируется током обмотки возбуждения.

        K достоинствам привода с муфтой скольжения относятся простота устройства и эксплуатации, низкая стоимость, высокая надежность и долговечность, малая мощность управления, облегчающая автоматиза¬цию различных процессов и режимов работы.

        Целью исследований является установление характера и количественных параметров процессов, обусловленных совместным действием на цепь утечки тока на землю ЭДС вращения группы двигателей технологического участка шахты в режиме их свободного выбега.

        По сравнению с тиристорными электроприводами постоянного и переменного тока приводы с муфтами обеспечивают более высокий коэффициент мощности на всех режимах работы и не искажают форму кривой напряжения питающей сети. Работа тиристорных электроприводов сопровождается появлением в кривой напряжения питающей сети высших гармоник, что ухудшает работу электрических машин и аппаратов, повышает потери, вызывает помехи и нарушения работы электронной аппаратуры, приборов, устройств автоматики [8].

        5. Обоснование направления автоматизации

        Ранее в качестве базового технического решения системы автоматического управления приводом забойного скребкового конвейера был принят аппарат АУП110Э. Вопрос о защите тяговой цепи скребкового конвейера от динамических перегрузок при ее стопорении решен недостаточно эффективно, поэтому требуется разработать новый блок защиты от перегрузок. Учитывая эти изменения, необходимо будет изменить алгоритм функционирования системы управления. Также в систему будут добавлены новые датчики, но основные элементы существующей системы (органы управления, взрывозащитная оболочка, элементы индикации) замены не требуют.

        Исходя из этого, наиболее приемлемым направлением усовершенствования системы автоматизации является добавление в систему автоматизации разрабатываемого блока, обеспечивающего выполнение требуемых функций. Поскольку при этом изменяется (усложняется) алгоритм функционирования системы управления, целесообразно выполнить разрабатываемый блок аппаратуры на основе микроконтроллера, что позволит задавать алгоритм функционирования системы автоматического управления программным путем. Это значительно облегчает создание системы, и позволяет создавать более эффективные алгоритмы управления. Также введение микроконтроллера позволит нам эффективнее обработать полученную информацию с датчиков с возможностью ее вывода на индикационные элементы, а также передачи (при надобности) на ЭВМ. Кроме того, использование микроконтроллера при построении системы автоматического управления позволит уменьшить габариты блока, увеличить его надежность. Легкость перепрограммирования современных микроконтроллеров позволяет в дальнейшем усовершенствовать алгоритм управления без больших затрат времени и без изменения структуры системы.

        6. Математическое моделирование

        Для исследования процессов и режимов работы скребкового конвейера была разработана математическая модель конвейерной системы (рис. 2), которая содержит модели электроприводов с электромагнитными муфтами скольжения, модель скребковой цепи в виде упругой невесомой нити. Распределенные параметры цепи учитывались путем разбиение цепи на 5 отрезков с сосредоточенной массой, которая в сумме равна массе цепи.

Рисунок 2 - Математическая модель скребкового конвейера с ЭМС

        Данная математическая модель описывается следующей системой дифференциальных уравнений:

        где первые два уравнения описывают электрические процессы в обмотках возбуждения ЭМС соответственно нижнего и верхнего привода;
        S - линейное перемещение цепи, находящейся в зацеплении в приводной звездой привода, v – линейная скорость перемещения цепи в точке зацепления с приводной звездой;
        F₂ – приведенное усилие на валу электропривода, F_тр1 – сила трения первого участка тяговой цепи, F_у1 – сила упругости первого участка тяговой цепи, F_ун – сила упругости нижней (холостой) ветви тяговой цепи конвейера;
        m₁ – масса второго участка тяговой цепи, m_B – масса пятого участка тяговой цепи.

        Как известно, процесс заклинивания скребковой цепи сопровождается существенными перегрузками в системе. В течение малого количества времени (до секунды) резко падает до нуля скорость движения тяговой цепи и существенно возрастает усилие упругого натяжения в цепи, в конечном итоге превышая определенное разрывное усилие, что приводит к разрыву цепи.

        На основе математической модели было проведено, в частности, исследование влияния величины тока возбуждения ЭМС на максимальные усилия упругого натяжения при заклинивании скребковой цепи (рис. 3). Исследования показали, что величина упругого натяжения цепи зависит от величины тока возбуждения ЭМС. Существенное снижение динамических перегрузок (до 50 % при времени торможения 0,35 с и до 25 % при 0,2 с) можно достичь своевременным снижением величины тока возбуждения ЭМС.

Рисунок 3 - Зависимости максимального упругого усилия от времени торможения при различных величинах тока в обмотке возбуждения
(анимация: 6 кадров, 10 циклов повторения, размер 51,4Kb)

        7. Выводы. Направление дальнейших исследований

        В ходе работы был произведен анализ технологического процесса транспортирования угля по очистному забою как объекта автоматизации, сформулирована цель магистерской работы и выработаны требования к системе автоматизации процесса. Сделан критический обзор известных технических решений по автоматизации технологического процесса выемки угля, обосновано дальнейшее направление автоматизации исследуемого процесса. Произведено обоснование, создана математическая модель, исследующая влияние величины тока возбуждения ЭМС на максимальные усилия упругого натяжения при заклинивании скребковой цепи.

        В дальнейшем будут продолжаться исследования процесса стопорения скребкового конвейера. В планах создание путем введения в схему датчика, реагирующего на упругое усилие в цепи конвейера (например, тензорезистивного типа), более эффективного устройства, способного своевременно отключать напряжение с обмоток возбуждения, тем самым уменьшая возможность возникновения аварийных ситуаций, связанных с заклиниванием тяговой цепи скребкового конвейера.

        Также в магистерской работе будет произведена алгоритмизация системы автоматизации, разработка схемотехнического решения устройства автоматизации, а именно анализ структурной схемы системы автоматизации технологического процесса, разработка структурной и функциональной схем аппаратуры автоматизации, также по ним будет разработана и принципиальная электрическая схема. В дальнейших планах разработка программного обеспечения для аппаратуры и разработка компоновочных решений аппаратуры автоматизации.

        8. Перечень ссылок

        1. Топорков А.А. – Машинист горных выемочных машин. – М.: Недра 1991 – 334 с.

        2. Леусенко А.В., Высоцкий Г.В., Эйдерман Б.А. – Скребковые конвейеры. Справочное пособ. – М.: Недра, 1993.

        3. Серов Л.А. – Устройства управления и системы регулирования угледобывающих машин – М.: Недра, 1995. – 167 с.: ил.

        4. Малиновский А.К. – Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников. - М.: Недра 1987 – 278 с.

        5. Д-р Хенкель Э.Х. – Современное состояние развития забойных конвейеров в каменноугольной промышленности Западной Германии.- «The Mining Engineer», 1988, май, с. 573-579.

        6. Сигалов Л.Н. – Исследование забойного скребкового конвейера с электромагнитной муфтой сухого трения. - Автореф. дис.... канд. техн. наук. – Донецк, ДПИ, 1968.

        7. Краус Э.Г., Брейдо И.В., Леусенко А.В. – Экспериментальные исследования тиристорного электропривода постоянного тока для шахтных скребковых конвейеров // Уголь. – 1987.

        8. Щетинин Т.А. – Электромагнитные муфты скольжения. – М.: Энергоатомиздат, 1985.