Мезнікова Катерина Артурівна

Об'єкт дослідження – винесена система подачі із частотним регулюванням швидкості подачі очисного комбайна УКД 200-250.

Мета роботи:Збільшення ресурсу, продуктивності й меж регулювання швидкості подачі, шляхом удосконалення винесеної системи подачі комбайна УКД200-250 на основі частотного регулювання швидкості подачі.

ВВЕДЕННЯ

На даний момент при відпрацьовуванні тонких шарів потужністю 0,8-1,2 м найбільш актуальним є питання підвищення якості вугілля. Тому створення й впровадження высоконадійних очисних комбайнів, що забезпечують роботу з навантаженнями 1,5-2,5 тис.тонн у добу, повинне забезпечити значне підвищення якості вугілля. Очисної комбайн УКД 200-250 є самим затребуваним для відпрацьовування тонких шарів. Коефіцієнт використання комбайнів УКД 200-250 становить 0,65 у той час як коефіцієнт використання інших комбайнів для тонких шарів не перевищує 0,3. Комбайн УКД 200-250 оснащений винесеною системою подачі (ВСП) з ланцюговим тяговим органом. Моделювання й оптимізація параметрів таких ВСП мають важливе практичне значення, тому що назріла необхідність підвищення їхніх тягово-швидкісних характеристик і розширення області застосування за рахунок використання частотно-регульованого приводу. Завданням даного проекту є розробка коректних динамічної й математичної моделей робочих процесів винесеної системи переміщення із частотно-регульованим приводом.

1 АКТУАЛЬНІСТЬ СТВОРЕННЯ ВИНЕСЕНОЇ СИСТЕМИ ПОДАЧІ ІЗ ЧАСТОТНИМ РЕГУЛЮВАННЯМ

Вугільні комбайни можна класифікувати наступним чином.

Рисунок 1 - Анімований рисунок: класифікація очисних комбайнів
Анімація повторюється циклічно, кількість циклів - 5, кадрів - 18, обсяг - 116 КБ. Для повторного запуску натисніть «Відновити»

Механізм подачі вуглевидобувного комбайна є одним з його основних елементів

Основні вимоги до механізмів подачі: - забезпечення тягових зусиль і максимальних швидкостей відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТ 11986 - 73 (для певних типорозмірів комбайна);
- можливість плавного регулювання швидкості подачі у всьому діапазоні від нуля до максимуму;
- наявність пристроїв, що чітко обмежують натяг тягового органа й зусилля в трансмісії в межах ±5 - 7% від максимального;
- утримання комбайна на місці при роботі в похилих шарах і відключенні механізму;
- наявність регульованих гідравлічних або відособлених електричних приводів;
- ручне й автоматизоване керування швидкістю подачі;
- чітка фіксована швидкість подачі;
- наявність пристроїв, що забезпечують надійне закріплення тягового органа, мінімальні витрати часу при операціях на кінцях лави й зміні напряму руху комбайна, а також усувають перенатяг тягового органа при роботі комбайна;
- наявність тягового органа не менш чим з п'ятикратним запасом міцності стосовно робочого зусилля подачі, розташованого, по можливості, у місцях, найбільш вилучених і закритих від простору, де можлива присутність людей;
- управління повинне бути зосереджене по можливості в мінімальному числі рукояток, розташованих на загальному пульті комбайна;
- рукоятки керування повинні перебувати в місцях, зручних для огляду комбайна й захищених від шматків, що летять, відбитого вугілля й порід, що обрушуються, покрівлі.

Керування швидкістю подачі варто здійснювати залежно від навантаження приводу виконавчого органа. При використанні приводу, що складає з декількох двигунів для різних робочих органів, регулювання необхідно вести з умови підтримки навантаження на заданому рівні найбільш навантаженого двигуна.

Регулятор швидкості подачі винний забезпечувати: миттєве припинення харчування двигуна подачі при різких перевантаженнях приводу виконавчого органа; захист приводу виконавчого органа від перекидання; обмеження граничної величини швидкості подачі. Гранична величина швидкості винна мати східчасте регулювання й установлюватися залежно від максимальної швидкості зведення кріплення за комбайном, що транспортує здатності конвеєрної лінії, інтенсивності газовыделення й ін.

Розрізняють дві великі групи механізмів подачі - убудовані й винесені.

Убудовані механізми одержали значне поширення. Механізм розташовується на комбайні й переміщається разом з ним. Рух комбайн одержує від обертових зірочок, що входять у зачеплення з тяговим органом, що закріплений по кінцях лави.

Убудовані механізми подачі мають кілька достоїнств. Основне з них - нерухомість тягового органа, що забезпечує більше зручне й безпечне його розташування на комбайні, і в лаві. Нерухомий тяговий орган дозволяє значно знизити натяг робочої вітки тягового ланцюга й за цей рахунок розташувати робочу вітку таким чином, щоб не перешкоджати поперечному переміщенню забійного конвеєра й зведенню кріплення за комбайном (при скривленнях лави). Керування убудованим механізмом подачі спрощується, оскільки він розташований безпосередньо на комбайні. Тягові зусилля в ланцюзі такого механізму нижче, а його к.п.д вище, ніж к.п.д. винесеного механізму. Конструкція убудованого механізму часто простіше, оскільки він звичайно приводиться від загального двигуна. Однак останнє є й недоліком убудованого механізму. На подачу сучасного комбайна затрачається 10 - 12% потужності, що витрачає на виїмку. У зв'язку з тим, що рівень потужності приводу буває недостатній, витрати потужності на подачу ведуть до зниження витрат на виїмку й, як наслідок, до зниження продуктивності машини. Другий недолік убудованих механізмів - збільшення довжини комбайна, що особливо негативно позначається при роботі в тонких шарах, оскільки знижує прохідність. Обслуговування убудованих механізмів подачі, особливо в комбайнах для тонких шарів, складніше, тому що здійснюється в стиснутих умовах лави.

Винесені механізми подачі мають інші недоліки, що перешкоджають їхньому широкому поширенню. Основний недолік таких механізмів - дві вітки тягового ланцюга, які значно затрудняють пересуванню забійного конвеєра, зведення кріплення (особливо при скривленнях лави) і знижує безпеку робіт. Конструкція такого механізму складніше. По-перше, для того, щоб не мати натягнутих галузей на всій лаві, доводиться використати два механізми, розташовані по обох її кінцях. По-друге, для забезпечення більше зручного підведення енергії (гідравлічної) і більше рівномірного розподілу її між механізмами бажано мати дві насосні станції, одна йз яких розташовується на вихідному струмені потоку повітря в лаві. По-третє, керування такими механізмами значно складніше, оскільки дії двох механізмів необхідно погодити, а для дистанційного керування потрібні спеціальний кабель й апаратура.

Тягові зусилля у винесених механізмах вище, ніж в убудованих, тому що по всій лаві доводиться простягати дві вітки ланцюга, що зустрічають значні опори при своєму русі по ґрунті. Крім того, рухомі вітки тягового ланцюга й збільшена їх довжина погіршують динаміку подачі комбайна за рахунок значної потенційної енергії тягового органа, власних коливань зусиль у ланцюзі й впливи його другої вітки, що збільшує нерівномірність руху комбайна, підвищує динамічні навантаження, на привід його виконавчого органа й у деякій мері знижує продуктивність. До недоліків варто віднести часто й знижену силу ваги комбайна, що є основним фактором його стійкості під час роботи.

При виборі типу механізмів подачі варто враховувати всі перераховані особливості.

Тип приводу значно впливає на конструкцію й властивості механізмів подачі, тому питанню вибору приводу варто приділяти увагу.

Гідравлічний привід, що перемінив механічні варіатори, одержав у цей час переважне поширення. Його достоїнства - можливість глибокого регулювання швидкості подачі від значень, близьких до нуля, до максимальних, можливість реверсування напрямку подачі без реверса руху основного двигуна, чітко працюєчий легко регульований запобіжний пристрій у вигляді клапана, що захищає ланцюг і механізм від перенапруги. Варіювання швидкістю подачі тут здійснюють зміною продуктивності насоса, реверс руху - зміною напрямку потоку рідини, що надходить у гідродвигун.

Електричний привід з регульованою частотою обертання в загальному випадку володіє більше високим кпд у порівнянні з гідравлічним, та й конструктивно він при сучасному розвитку тиристорної техніки значно простіше й надійніше, особливо, при створенні механізмів подачі для важких комбайнів.

Як видно з порівняльного аналізу переміщення очисних комбайнів для тонких шарів здійснюється за допомогою винесених систем подачі (ВСП). Це дає можливість використати для руйнування й вивантаження зруйнованого вугілля ту частину енергії двигуна комбайна, що витрачалася б на його переміщення при убудованому механізмі подачі, і за рахунок цього підвищувати продуктивність. Крім того, застосування ВСП дозволяє зменшувати довжину комбайна, що особливо важливо для цього класу машин при неспокійній гіпсометрії шару, а електричний привід із частотним перетворювачем швидкості дозволить підвищити кпд, тягово-швидкісну характеристику й розширити область застосування комбайна. Більше кращим є тиристорний привід.

2 РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ ВСП ІЗ ЧАСТОТНО-РЕГУЛЬОВАНИМ ПРИВОДОМ

Комбайн УКД 200-250 призначений для виїмки пологонаклонных шарів (0-35 град.)з потужністю 0,85-1,3 м.

Основні корпусні вузли перебувають із забійної сторони конвеєра. Опирається комбайн на конвеєр 2-мя забійними й 2-мя завальними нерегульованими опорними механізмами, на ґрунт одним напочвенным нерегульованим опорним механізмом.

Побудова корпусних підсистем на основі декількох корпусів, компоновочі рішення підсистем приводу ВО на базі основного й поворотного редукторів.

Комбайн має 1 електродвигун для обох підсистем приводу ВО й індивідуальні електродвигуни для підсистем подачі.

Загальний вид комбайна представлений на рисунку 2.

Рисунок 2 - Очистний комбайн УКД 200-250

1 – електродвигун для підсистем приводу ВО;

3, 4 – основні й поворотні редуктори підсистем приводу ВО;

5, 6 – завальні й забійні опорні механізми;

7 – опорний механізм, який опирається на грунт;

8 – виконавчі органи;

15 – гідродомкрати підсистем підвіски й переміщення ВО;

17 – портальна частина корпусних підсистем.

Для складання математичної моделі (ММ) системи подачі розробимо динамічну схему комбайна із ВСП, що наведена на рисунку 5.

Рисунок 3 – Динамічна схема очисного комбайна із ВСП

Уведемо наступні умовні позначки:

Мдв1, Мдв2 – обертаючі моменти 1-го й 2-го електродвигунів;

φдв1, φдв2 – кути повороту роторів 1-го й 2-го електродвигунів;

Iдв1, Iдв2 – момент інерції роторів електродвигунів;

Iзв – момент інерції приводної зірки;

Ср – коефіцієнт твердості редуктора приводу ВСП;

βp – коефіцієнт опору редуктора;

Сц – коефіцієнт твердості ланцюга;

βц – коефіцієнт опору ланцюга;

φзв1, φзв2 – кути повороту приводних зірок;

m1 – маса тягового ланцюга від зірочки 1 до комбайна;

m2 – маса тягового ланцюга від зірочки 1 до зірочки 2;

m3 – маса тягового ланцюга від зірочки 2 до комбайна.

Розставимо сили, що діють на комбайн і ланки ланцюга.

Рисунок 4 – Сили, що діють на комбайн і ланки ланцюга

Опираючись на рисунки 3 й 4, можна сказати, що ММ робочих процесів ВСП очисного комбайна із частотно-регульованим приводом складається з наступних взаємодіючих модулів:

- ММ частотно-частотно-регульованого асинхронного електродвигуна;

- ММ ВСП, що включає привід, тяговий орган й очисної комбайн;

- ММ формування сил опору руху комбайна.

Математична модель зірочки 1:

Математична модель зірочки 2:

Модель комбайна:

Модель двигуна:

ММ асинхронного двигуна розроблена на основі досліджень Парка-Горєва. Запропонована двоконтурна схема заміщення глубокопазного ротора, що дозволяє при параметрах, що не залежать від ковзання, урахувати вплив витиснення струму в роторі. Параметри схеми заміщення (рисунок 7) можуть бути обчислені за каталожним даними електродвигуна.

Рисунок 5 – Схема заміщення фази асинхронного електродвигуна із двоконтурним ротором, включеного в шахтну мережу

де R_s, X_s - активний й індуктивний опори фази обмотки статора;

R_rв, R_rн - активні опори фаз верхньої й нижньої кліток ротора відповідно;

X_rв, X_rн - індуктивні опори розсіювання верхньої й нижньої кліток ротора відповідно;

R_m, X_m - активний й індуктивний опори взаємоіндукції;

R_c, X_c - активний й індуктивний опори живильної мережі.

Розрахункові коефіцієнти:

де b_s, b_rв, b_rн - коефіцієнти відносного активного опору;

a_s, a_rв, a_rн - коефіцієнти відносного реактивного опору.

Основні рівняння ММ [3]:

де φ_р, ω_р - кут повороту й кутова швидкість обертання ротора;

J - момент інерції ротора двигуна;

M_д - електромагнітний момент, що розвиває двигун;

M_с - момент навантаження на валу двигуна;

ψ_Sα, ψ_Sβ, ψ_нα, ψ_нβ, ψ_вα, ψ_вβ - складові векторів потокосцеплень;

ω_с - кутова швидкість магнітного поля;

t - поточний час;

ΔU_Sα, ΔU_Sβ - проекції вектора спадання напруги статора на осі α і β, які враховують вплив живильної мережі;

i_Sα, i_Sβ - струми статора в проекції на осі α і β

U_m - амплітуда напруги у фазі;

U_н - номінальна напруга мережі (лінійна);

р - число пар полюсів електродвигуна;

Р_д - активна потужність, споживана електродвигуном.

У загальному виді система має вигляд:

3 МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ЗАПУСКУ ДВИГУНА

За допомогою програми Mathcad змоделюємо процес роботи асинхронного двигуна.

Задамося каталожними даними, такимим як КПД і момент інерції:

Крd=0.92

J=1.23

і параметрами схеми заміщення - активним й індуктивним опором фази обмотки статора, індуктивним опором взаємоіндукції, активним й індуктивним опорами верхньої й нижньої кліток ротора:

R_s=0.052
R_rv=0.079
R_rn=0.271
X_s=0.209
X_m=6.248
X_rv=0.557
X_rn=0.151

Завдання моменту опору:

m₀=1500
m_v=500
ω=6.28
m_c(t) = m₀+m_v·sin(ω·t)

Задамося початковими умовами й розрахуємо параметри правих частин ДР:

b_s=X_s^-1·R_s
b_rv=X_rv^-1·R_rv
b_rn=X_rn^-1·R_rn
X_sr=(X_m^-1+X_s^-1+X_rv^-1+X_rn^-1)^-1
a_s=X_s^-1·X_sr
a_rv=X_rv^-1·X_sr
a_rn=X_rn^-1·X_sr
p=2
ω_c=314
U_m=931

Розрахунок правих частин ДР:

Рисунок 6 - Графічна залежність моменту двигуна від кутової швидкості ротора

Рисунок 7 - Графічна залежність кутової швидкості ротора від часу

Рисунок 8 - Графічна залежність моменту двигуна від часу

ВИСНОВКИ

У даному проекті була розроблена математична модель для обґрунтування параметрів винесеної системи подачі очисного комбайна із частотним перетворювачем. За допомогою програми Mathcad змодельований процес роботи асинхронного двигуна.

ЛІТЕРАТУРА

1. Решение научно-технических проблем при создании и внедрении современного горно-шахтного оборудования. Сборник научных трудов ГП «Донгипроуглемаш» /Науч.ред. В.В. Косарев, Н.И. Стадник. - Донецк: Астро, 2008. - 800 с.

2. Семенченко А.К., Кравченко В.М., Шабаєв О.Є. Теоретичні основи аналізу і синтезу гірничих машин і процесу їх відновлення, як динамічних систем /А.К.Семенченко, В.М.Кравченко, О.Є.Шабаєв – Донецьк: РВА ДонНТУ, 2002. – 302 с.

3. Миничев В.И. Угледобывающие комбайны. Конструирование и расчёт /В.И.Миничев - М.: «Машиностроение», 1976. - 248 с.

4. Оптимизация привода выемочных и проходческих машин /Под ред. чл.-кор. АН СССР А.В.Докукина - М.: Недра, 1983. - 264 с.

5. Горбатов П.А. Гірничі машини для підземного видобудування 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. 2-ге вид.перероб. і доп. - Донецьк: Норд Комп'ютер, 2006. - 669с.:іл.

6. Горбатов П.А., Петрушкин Г.В., Лысенко Н.М. Горные машины и оборудование /П.А.Горбатов, Г.В.Петрушкин, Н.М.Лысенко: Учебное пособие для вузов - в 2-х т. Т.1. - Донецк: РИА ДонНТУ, 2003. - 295 с.

7. Горбатов П.А., Петрушкин Г.В., Лысенко Н.М. Горные машины и оборудование /П.А.Горбатов, Г.В.Петрушкин, Н.М.Лысенко: Учебное пособие для вузов - в 2-х т. Т.2. - Донецк: РИА ДонНТУ, 2003. - 201 с.

8. Гетопанов В.Н., Гудилин Н.С., Чугреев Л.И. Горные транспортные машины и комплексы /В.Н.Гетопанов, Н.С.Гудилин, Л.И.Чугреев: Учебник для вузов. - М.:Недра, 1991. - 304 с.

9. Малевич Н.А. Горнопроходческие машины и комплексы /Н.А. Малевич: Учебник для вузов. - М.:Недра, 1980. - 384с.

10. Хорин В.Н. Техника для выемки тонких пластов /В.Н.Хорин - М.:Недра, 1984. - 216 с.

11. Бойко Н.Г. Динамика очистных комбайнов. - Донецк: РВА ДонНТУ, 2004. - 206 с.

12. Кондрахин В.П., Гуляев В.Г., Головин В.Л. Имитационная математическая модель динамических процессов очистных комбайнов высокой энерговооружённости с вынесенной системой подачи. - Наукові праці Донецького національного технічного університету, вип.113, Серія: гірничо-електромеханічна, Донецьк, 2006. С.123-130.

13. Дубинин С.В., Сидоренко И.Т. Переходные процессы в системе подачи угольных комбайнов с электромагнитными муфтами скольжения. Известия вузов. Горный журнал. 1987. - С.88-93.

14. Подцепаев В.В.Математическая модель вынесенного привода подачи комбайнов для тонких пластов //Научн.тр.ИГД им. А.А.Скочинского. - 1983. - Вып.218. - С.56-62.

На даному етапі магістерська робота перебуває в розробці. Після грудня 2009 р. більш докладну інформацію можна одержати в автора meznіkova@maіl.ru або в наукового керівника.

До початку сторінки