Жаботин Андрей Анатольевич

РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЫ

      Цель и задачи

      Целью настоящей работы является разработка рекомендаций по усовершенствованию электроприводов транспортирующих устройств с учётом гранулометрического состава транспортируемых грузов.
      Для достижения указанной цели поставлены следующие основные задачи:
1) исследовать режимы работы приводимых механизмов;
2) провести анализ свойств транспортируемых грузов;
3) разработать математическую модель насыпного груза на ленте конвейера;
4) определить фактический грузопоток и характер нагрузки привода;
5) проанализировать влияние гранулометрического состава груза на нагрузку на валу приводного электродвигателя и его режимы работы.

      Постановка проблемы
      Анализ отказов приводных электродвигателей горных машин показал, что в настоящее время участились случаи аварий, приводящих весь электродвигатель в неремонтопригодное состояние, а именно выплавление обмотки ротора.
      Традиционно считается, что причиной этого отказа являются неправильные условия эксплуатации, в частности, перегруз приводных электродвигателей. Однако, частые появления этих отказов позволяют предположить, что в настоящее время существенно усложнились условия эксплуатации всего горно-шахтного оборудования и перегрузочной способности приводных электродвигателей, в ряде случаев, становится недостаточно.
      Таким образом, неправильная эксплуатация является лишь одной из причин появлений этих отказов. Определение других обстоятельств работы электродвигателей, приводящих к их выходу из строя, по-прежнему остается актуальной задачей.


      Анализ последних исследований и публикаций
      В настоящее время накоплен достаточно большой опыт по исследованиям режимов работ приводных электродвигателей горных машин.
      В частности, для очистных комбайнов нагрузка электродвигателей формируется в зависимости от выемки угля (разрушение, вынос из зоны резания, погрузка на конвейер) и перемещения комбайна вдоль забоя.
      Главным в формировании нагрузки на электродвигатель является процесс разрушения угля, а так как сопротивляемость разрушаемого массива изменяется по закону случайных чисел, то нагрузки на электродвигатель в процессе работы очистного комбайна также имеют случайный характер и могут быть описаны случайной функцией пути его движения или - при постоянной скорости подачи - случайной функцией времени. 
      Приводные механизмы конвейеров так же испытывают набросы нагрузки. Многочисленными наблюдениями на угольных шахтах установлено, что грузопотоки, поступающие из механизированных забоев, характеризуются большой неравномерностью, причем появление во времени того или иного значения грузопотока является случайным событием.
      Нагрузка на конвейере изменяется случайно, поэтому загруженность и связанную с ней действительную нагрузку на единицу длины установки необходимо принимать с определенным уровнем вероятности. Следовательно, тяговое усилие и мощность привода зависит от принимаемого нами уровня. Принятие необоснованного низкого уровня загруженности может привести к перегреву двигателя, сокращению срока службы и возникновения отказа конвейера.
      Обзор источников показал, что причинами набросов нагрузок в настоящее время считаются организационные и технологические факторы. К ним относят: неравномерность грузопотока, не определенное место загрузки (скребковый конвейер в лаве), простои оборудования, случайный характер затрат времени на концевые операции и другие явления, определяющие режимы работы приводных механизмов.
      Однако, при анализе условий работы приводов, в настоящее время, не учитываются физические свойства транспортируемых грузов. Хотя очевидно, что для конвейеров, случайный характер насыпной плотности так же оказывает влияние на неравномерность нагрузки на валу приводного электродвигателя. Очевидно, что величина диапазона для выбора насыпной плотности с увеличением длины конвейера может привести к существенным расхождениям в значениях расчётных параметров ленточного конвейера. Учитывая, что в настоящее время наметилась тенденция к увеличению длины транспортирования и грузопотоков, вопрос уточнения величины насыпной плотности является актуальным.
      Однако, в настоящее время, количественной оценки влияния размера частиц на коэффициент разрыхления транспортируемого груза не проводилось.
      Кроме того, обзор основных групп общепромышленных приводных механизмов показывает, что в настоящее время существует следующая классификация их режимов работы – жесткая, экскаваторная и вентиляторная. Однако, анализ условий эксплуатации приводов горных машин показал, что данной классификации недостаточно для описания их режимов работы. Приводные электродвигатели горно-шахтного оборудования имеют жесткую характеристику с частыми набросами нагрузок.


      Результаты исследований
      Для оценки влияния размера i-й частицы на величину Kp предлагается модель «идеального» насыпного груза на ленте конвейера. При построении данной модели приняты следующие допущения:

    1) Известно, что форма верхней части насыпного груза имеет вид, близкий к параболическому сегменту. При этом, для удобства расчетов производительности конвейера, поперечного сечения груза на ленте, параболический сегмент заменяется треугольником. Поэтому, в модели насыпного груза на ленте так же можно представить его поперечное сечение в виде многоугольника (рис.1) .
      Любой многоугольник всегда можно представить как сумма треугольников (рис. 1) . Поэтому  в качестве расчетной схемы для определения Kp можно принять треугольное сечение груза на ленте.



Рис. 1 - Насыпной груз на желобчатой ленте.

     2) В настоящее время при проверке ленты по кусковатости считают, что груз имеет форму эллипса. Кроме того, в результате вибраций груз занимает горизонтальное положение, как наиболее устойчивое. То есть, достаточно оснований принять, что частица груза имеет форму эллипса, который лежит на ленте горизонтально.
      Таким образом, на первом этапе в качестве объекта исследований принята модель «идеального» насыпного груза, состоящего из частиц одного размера эллиптической формы, лежащих горизонтально и занимающих треугольное сечение на ленте конвейера.
      То есть, в данной модели поперечное сечение груза представлено в виде равнобедренного треугольника с вписанными в него эллипсами одинакового размера.



Рис. 2


      В результате поворота плоскости вокруг оси OX, проходящей через основание треугольника, можно получить равносторонний треугольник с вписанными окружностями.





Рис. 3


При этом, как известно, отношения площадей фигур при данном преобразовании пространства сохраняются.
То есть, Кр можно представить как:




Путем геометрических расчетов площадей получаем (рис. 3) :

     (1)
где  Kp   – коэффициент разрыхления;
         n – количество вписанных окружностей, расположенных параллельно одной стороне треугольника и имеющих (каждая) одну точку касания с этой стороной;
При этом,
        (2)
где В – ширина ленты, м;
В результате подстановки (2) в (1) получаем:


      Таким образом, для «идеального» насыпного груза получено однозначное соответствие Kp значению n и r. То есть, Kp полностью определяется размерами частиц и для «идеального» насыпного груза находится в диапазоне Kp = 0,5672--0,9054. Данная оценка значения Kp справедлива для любых насыпных грузов.
      Kp является сложной функцией f(n(r)). При этом, n – дискретная величина. Поэтому данная функция является скачкообразной, «скачки» которой уменьшаются с уменьшением фракции груза. Анализ зависимости при больших значениях r показал, что при расчете Kp для мелкокусковых грузов (n>18 ; r<0.022 ) функцию f(n(r)) можно считать непрерывной.
Для крупнокусковых грузов (n<18 ; r>0.022 ), необходимо учитывать дискретный характер f(n(r)).
       Так как модель «идеального» насыпного груза на ленте конвейера позволяет оценить влияние размера частиц на коэффициент разрыхления, то для грузов с частицами разной фракции Kp можно определить по следующей методике:

  где  Kpi - коэффициент разрыхления, для частиц одинаковой фракции;
          pi - процентное содержание фракции.
      Так как размер частиц транспортируемого груза является случайной величиной, то значение коэффициента разрыхления тоже имеет вероятностный характер. Таким образом, значение насыпной плотности транспортируемого груза так же будет колебаться в диапазоне.
      Учет влияния данной неравномерности на расчетные параметры конвейеров дал следующий результат.
      При расчёте конвейера и выборе мощности приводного двигателя значение погонной массы груза необходимо принимать из диапазона





      С учётом неравномерности гранулометрического состава транспортируемого груза, можно предположить, что фактическое значение погонной массы груза может быть как больше, так и меньше расчётного и изменяться во времени, что и является причиной набросов нагрузок.
      Таким образом, при колебании значения насыпной мощности будет меняться значение потребной мощности приводного двигателя.
Диапазон колебания потребной мощности двигателя (без учета Км):





Зависимость (при различных значениях Кр ) на примере ленточного конвейера типа КЛС-1600, установленного на Авдеевском КХЗ, представлена на рис. 4.



(анимация: 7 кадров; 5 циклов повторения; время прокрутки одного кадра - 1 секунда)

Рис. 4 - Графики зависимостей N=f(L) при различных значениях Кр для конвейера КЛС-1600


      Где: 1 – потребная мощность при табличном значении насыпной плотности; 2 – потребная мощность при Kp min; 3 – потребная мощность при Kp max ; 4 – мощность холостого хода; 5 – установочная мощность при табличном значении насыпной плотности.


      Анализ данной зависимости позволяет сделать вывод, что при увеличении длины транспортирования существенно увеличивается влияние неравномерности гранулометрического состава груза. То есть, увеличивается диапазон колебаний потребной мощности приводного двигателя и при определённой длине конвейера (Lкрит) значения коэффициента запаса мощности, применяемого при расчёте установочной мощности (Км), может оказаться недостаточным. К тому же, чем больше ширина ленты, тем меньше значение Lкрит.
      То есть, можно предположить, что при длинах транспортирования более критической длины (Lкрит) и определенных значениях насыпной плотности груза (так как величина коэффициента разрыхления имеет вероятностный характер) приводной двигатель может быть перегружен.
      Таким образом, для конвейеров с длинами L > Lкрит при расчёте потребной мощности двигателя необходимо учитывать неравномерность гранулометрического состава и применять электродвигатели специальной конструкции, обладающие повышенной перегрузочной способностью.
      Кроме того, известно, что механическая часть конвейера представляет собой сложную систему с распределенными по длине конвейера параметрами: массой груза, массой и упругостью тягового органа, усилием статического сопротивления. Поэтому, случайный характер насыпной плотности является фактором, способствующим возникновению колебаний, которые при неблагоприятных условиях существенно увеличивают динамические нагрузки на элементы конструкции конвейера.



      Выводы и направление дальнейших исследований
      Анализ условий работы приводных механизмов горных машин показал, что существующей в настоящее время классификации режимов работы приводов недостаточно. Очевидно, что приводные электродвигатели горно-шахтного оборудования имеют жесткую характеристику с частыми набросами нагрузок.
      Одной из причин набросов нагрузок является неравномерность насыпной плотности транспортируемого груза.
      Исследования теоретической модели груза на ленте показали, что коэффициент разрыхления Кр полностью определяется его гранулометрическим составом и для любых насыпных грузов находится в диапазоне Кр= 0,5672--0,9054. При этом, нижняя граница диапазона соответствует крупнокусковым, а верхняя – мелкокусковым грузам. Разработанная методика расчета Кр позволяет уточнить значение коэффициента разрыхления Кр и насыпной плотности транспортируемого груза в зависимости от его гранулометрического состава.
      Учет гранулометрического состава груза при расчете конвейера показал, что при увеличении длины транспортирования значительно увеличивается диапазон колебания потребной мощности приводного двигателя и принимаемого в настоящее время коэффициента запаса мощности может оказаться недостаточно.То есть, при достижении критического значения длины конвейера (Lкрит) возможна перегрузка его приводного электродвигателя.
      Для определения значения критической длины конвейера и необходимого коэффициента запаса мощности приводного электродвигателя следует учитывать гранулометрический состав транспортируемого груза.
      Таким образом, при больших длинах транспортирования появляется дополнительная причина выхода из строя приводных электродвигателей ленточных и скребковых конвейеров – наброс нагрузки, вызванный случайным характером гранулометрического состава транспортируемого груза. Одним из способов исключения данного отказа является использование электродвигателей специальной конструкции, обладающих повышенной перегрузочной способностью.



ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Княжев С.Н., Калюжный В. В., Понамаренко В. В., Повышение надежности горных машин с многодвигательным электроприводом// Уголь Украины. –2005. – № 9 . – С. 21-22.

2. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г., «Теория и расчёт ленточных конвейеров»// «Машиностроение», Москва - 1987. - 334с.

3. Под ред. Будишевского В.А., Сулимы А.А., «Теоретические основы и расчеты транспорта энергоемких производств»// Высшее образование, Донецк - 1999. - 216с.

4. Ключев В.И., Терехов В.М., «Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов»// Москва «Энергия» - 1980 г. -379с.

5. Чиликин М.Г. , Сандлер А.С., «Общий курс электропривода»// Москва «Энергоиздат» - 1981. - 361с.

6. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г., «Вероятностные методы расчета транспортирующих машин»// Москва, «Машиностроение» - 1983. - 254с.

7. Беклемишев Д. В., «Курс аналитической геометрии и линейной алгебры»// Москва, Наука - 1984. - 295с.

8. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С., «Теория автоматизированного электропривода»// Москва, Энергия - 1979. - 371с.

9. Шахмейстер Л.Г., Солод Г.И., «Подземные конвейерные установки»// Москва, «Недра» - 1976г. - 431с.

10. Стариков Б.Я., «Асинхронный электропривод очистных комбайнов.»// Москва, «Недра» - 1981г. - 238с.