Фоменко Артём Владимирович

Цели и задачи, которые должны решаться

- Исследование амплитудно-частотных характеристик пространственных продольно-поперечных колебаний наклонной струны головного каната и геометрических, режимнымых и инерционных параметров подъемной установки.
- Нахождение зависимостей между амплитудно-частотными характеристиками пространственных продольно-поперечных колебаний наклонной струны головного каната и геометрическими, режимными и инерционными параметрами подъемной установки.
- Разработка устройства для поглощения колебаний каната шахтной подъемной установки.
- Разработка системы управления устройством для поглащения колебаний каната и системы автоматизации привода шахтной подъемной установки с применением данного устройства.
- Обоснование применения датчиков и комплектного электропривода с устройством для поглащения колебаний каната шахтной подъемной установки.

Актуальность и мотивация темы работы

Основная часть подъемной установки — подъемная машина — сложный электромеханический механизм, состоящий из отдельных элементов, выполняющих разные функция. Рациональный выбор этих элементов и установление оптимальных режимов работы машины полностью определяют безопасность и экономичность эксплуатации подъемной установки. В этой связи всестороннее рассмотрение существующих теории и практики расчета и выбора отдельных элементов подъемной машины заслуживают особого внимания при проектировании новой или реконструкции действующей шахтной подъемной установки. Для определения эффективности работы установки необходимо установить оптимальную массу поднимаемого груза, скипов, определить оптимальные значения ускорения, замедления и скорости подъема, выбрать и рассчитать мощность приводного двигателя, расположение подъемной машины относительно ствола шахты, определить приведенную массу подъемной установки, эффективную мощность подъема, расход электрической энергии и КПД подъемной установки, построить пусковые характеристики двигателей и рассчитать роторные сопротивления.

Обзор исследований и разработок по этой теме

Исследования в этой области проводились О.А.Горошко, Г.Н.Савиным, Ф.В.Флоринским, Л.В.Колосовым, В.И. Дворниковым, А.Н.Обуховым, Г.А.Трифановым и др.
За основу взята математическая модель нелинейных колебаний струны и отвеса каната мобильной подъемной установки Ильина С.Р. (канд. техн. наук, с.н.с.), Самуси С.В. (аспирант, Институт геотехнической механики им Н.С.Полякова НАН Украины). Эта модель применима к стационарным подъемным установкам, т.к. базировалась на положениях разработанных для них. В модели учитывалось совместное взаимовлияние поперечных колебаний струны каната и продольных колебаний ветви каната.
Для составления нелинейных дифференциальных уравнений продольно-поперечных колебаний наклонной струны и продольных колебаний отвеса каната одноконцевой ШПУ рассмотрим расчетную схему системы с распределенными параметрами, представленную на рис.1.

Рисунок 1 – Расчетная схема подъемной установки

Исходные уравнения поперечных колебаний струны и продольных колебаний отвеса каната имеют вид:

Выведем уравнение продольных колебаний отвеса со струной с учетом влияния поперечного динамического отклонения струны на продольные деформации каната. Рассматривая элемент dx каната, будем считать, что удлинение элемента dx в точке x состоит из суммы двух частей – удлинения U(x,t) вследствие чисто упругих продольных колебаний каната с концевым грузом и удлинения Uv(x,t) , вызванного поперечным отклонением струны:

(3)

Соответственно, усилие в сечении каната

(4)

Как известно, длина дуги каната в сечении x при поперечных колебаниях равна

(5)

Учитывая, что величина V ´(x,t) для реальных параметров установок мала по сравнению с единицей, разложим подынтегральное выражение в степенной ряд и ограничиваясь двумя первыми членами первого порядка малости, получим:

(6)

Тогда, продольное удлинение каната UV(x,t) на участке дуги в точке x , вызванное только его поперечными колебаниями с точностью до малых более высокого порядка будет равно

(7)

Подставляя (4) - (7) в (2) и выполнив необходимые преобразования, получим следующее нелинейное уравнение в частных производных, описывающее в первом приближении продольные колебания отвеса каната с учетом влияния поперечного отклонения струны:

(8)

Вычислив производные в правой части (4) и подставив в (1), получим нелинейное уравнение поперечных колебаний струны каната

(9)

Уравнения (8) и (9) представляют собой систему нелинейных взаимосвязанных уравнений в частных производных, описывающих совместную динамику струны и отвеса каната подъемной установки с учетом их двустороннего влияния.
Учитывая сложность построения решения такой системы, для исследования ее основных динамических свойств построим дискретный динамический аналог рассматриваемой механической системы по методу, изложенному в монографии [11], расчетная схема которого представлена на рис 2.

Рисунок 2 - Расчетная схема дискретного динамического аналога подъемной установки

где:
mcmp - приведенная масса динамического аналога струны;
mгр - приведенная масса динамического аналога отвеса каната с грузом.

Значения приведенных масс дискретного аналога найдем из условия равенства первых собственных частот поперечных и продольных колебаний звеньев дискретной и континуальной линейных систем, соответствующих исходной без учета влияния нелинейных эффектов.
Как известно, первая частота продольных колебаний континуального тяжелого каната с грузом на конце в первом приближении может быть определена по формуле Рэлея

(10)

где:
Q – масса груза;
q – масса единица длины струны.

Первая частота поперечных колебаний весомой струны, натянутой постоянной силой S, определяется по формуле:

(11)

где S = (Q + q(lk - lcmp ) ⋅ g ;
тогда

(12)

Используя принцип Даламбера, линейное дифференциальное уравнение свободных поперечных колебаний груза с приведенной массой струны mcmp имеет вид:

(13)

Следовательно, первая парциальная частота поперечных колебаний груза mcmp равна

(14)

Из условия равенства парциальных частот ω cmp =ω ˜ cmp найдем

(15)

Выведем нелинейную модель колебаний дискретного аналога для исследований в первом приближении амплитудно-частотных характеристик исходной системы и ее устойчивости.
На основании принципа Даламбера дифференциальные уравнения колебаний дискретной системы, представленной на рис.2, имеют вид:

(16)

где сила натяжения струны с учетом динамической составляющей S =[x + Δ x(y)]C;
C = EF/lcmp;
x - упругое удлинение каната.
Считаем, что k Δ x < < l , тогда sin α ≈ 2y ⁄ lk

Вычислим Δ x - упругое удлинение каната за счет поперечного отклонения груза mстр .
Из рис.2 видно, что

(17)

Пренебрегая членами порядка малости Δ x2 в первом приближении найдем

(18)

Подставив полученные выражения в дифференциальные уравнения (7), получим систему двух дифференциальных уравнений относительно x, y:

(19)

С учетом диссипации, пропорциональной скорости перемещения масс

(20)

где

μ - коэффициент диссипации, получим аналогичную систему дифференциальных уравнений вида:

(21)

Решение системы численным методом позволило установить наличие взаимовлияния динамических процессов в струне и отвесе каната и найти первые две зоны неустойчивости для разных соотношений длин струны и отвеса каната. На рис. 3 приведены графики продольных колебаний отвеса и поперечных колебаний струны каната для различных соотношений длин отвеса и струны.
Экспериментальные исследования взаимовлияния динамических процессов в струне и отвесе каната проводились на действующей подъемной установке при торможении в режимах спуска порожнего и подъема груженого подъемного сосуда в разных точках ствола. Измерения соответствующих параметров проводись цифровой измерительной аппаратурой МАК, разработанной в ИГТМ НАН Украины.

[8]

Собственные результаты

Для погашения колебаний струны каната предлагаю применить устройство, захватывающее канат при аварийном торможении. Общий вид устройства устанавливаемого на копре показан на рис.4а, у барабана – на рис.4б.

Рисунок 4а – Общий вид устройства на копре



Рисунок 4б – Общий вид устройства у барабана

1 – рама; 2 – рамка-ловитель; 3 – дугообразная планка; 4 – гидродомкраты; 5 – прижимающие пружины; 6 – направляющая балка.
Рама предназначена для крепления на ней элементов устройства и должна обеспечивать жесткость конструкции. Рамка-ловитель и дугообразная планка предназначены для фиксации каната в нижней части рамки при аварийном торможении. Поверхности рамки-ловителя и дугообразной планки покрыты слоем полиуретана для предотвращений повреждений каната при соприкосновении с ними. Гидродомкраты отжимают дугообразную планку от рамки-ловителя в нормальном режиме работы подъемной установки. При аварийном торможении открывается задвижка позволяющая жидкости достаточно быстро покинуть поршневые полости гидродомкратов. Прижимающие пружины необходимы для прижатия дугообразной планки к рамке-ловителю при аварийном торможении. Направляющая балка служит для перемещения по ней рамки-ловителя.
Устройство у барабана имеет подвижную рамку, которая перемещается по направляющей и имеет электрический привод. Положение рамки определяется по сигналу поступающему с командоаппарата управления и зависит от положением сосуда.

Согласно графикам приведенным на рис.3, чтобы не допустить неустойчивые колебания, соотношение длин струны и отвеса каната не должно равняться 1 и 5. Для этого необходимо установить два устройства на копре, которые будут регулировать длину струны в зависимости от положения подъемного сосуда при аварийном торможении. Срабатывает только одно из устройств на копре и устройство у барабана. При срабатывании устройства, для расчета колебаний с помощью системы дифференциальных уравнений (21), будет рассматриваться не полная длинна струны от барабана до копра lстр, а только её отрезок от копра до одного из устройств. Т.е. длина струны в этом случае будет равняться L1 или L1+L2 в зависимости от положения подъемного сосуда.

Рисунок 5 – Схема расположения устройств

При прохождении сосуда у электромагнитных датчиков установленных в стволе, подается сигнал на пульт управления подъемной машиной, после чего определяется какое из двух устройств активно.

Предлагаю использовать Датчики контроля положения унифицированные ДКПУ

Рисунок 6 – Датчик ДКПУ-12

Предназначены для защиты подъемных установок от переподъема, контроля положения шахтных подвижных объектов, в том числе концевой защиты и обеспечивают самоконтроль исправности своих электрических схем. Датчик выпускается в двух модификациях:
• ДКПУ-12 — для применения в шахтах, в том числе опасных по газу или пыли и состоит из блока исполнительного БИ-1, первичного преобразователя ПП-2 и магнита МПП.
• ДКПУ-22 — для применения на поверхности шахт и состоит из блока исполнительного БИ-2, первичного преобразователя ПП-2 и магнита МПП.

Блоки БИ-1 и БИ-2 могут эксплуатироваться при температуре окружающего воздуха от минус 10 до 35 ° С, преобразователь ПП-2 — при температуре от минус 40 до 40 ° С, с влажностью до 100% при температуре 35 ° С.

Техническая характеристика датчика

Напряжение питания (частотой 50Гц), В
ДКПУ-12	660/380/127
ДКПУ-22	380/220/127
Потребляемая мощность, В•А, не более	20
Рабочий зазор между первичным преобразователем и объектом контроля, мм, не более	160
Время срабатывания датчика, с, не более	0,1
Количество контактов выходных реле	2р, 2з
Масса, кг, не более
Блока БИ-1	33
Блока БИ-2	3,7
Преобразователя ПП-2	1,6
Магнита МПП	1,6
Габаритные размеры, мм
Блока БИ-1	420х380х350
Блока БИ-2	145х215х175
Преобразователя ПП-2	220х160х75
Магнита МПП	230х60х75
ТУ 12.48.190-85

[10]

Для управление устройствами предлагаю применить комплектный регулируемый электропривод постоянного тока с микропроцессорным управлением серии РЭП2-ШПМ.
Комплектное устройство предназначено для управления электродвигателем постоянного тока шахтных подъемных машин и других механизмов, требующих регулирования скорости в широких пределах.
Назначение комплектного привода - для новых электроприводов ШПМ и модернизации действующих ШПМ.
РЭП2-ШПМ является новым поколением специализированных регулируемых электроприводов постоянного тока, предназначенных для ШПМ.

Отличительные особенности:
• новые схемотехнические и конструктивные решения по силовой части якорного преобразователя и возбудителя, позволившие их существенно упростить, уменьшить в габаритах, по весу, при одновременном повышении надежности (при сохранении резервирования и других "наработанных" позитивных решений серии УКТЭШ);
• новые унифицированные микропроцессорные системы управления преобразователем, возбудителем и приводом, в целом (с учетом технологии). Следует отметить, что последнее решение является унифицированным для электроприводов ШПМ любых типов- постоянного и переменного токов.

Привод шахтной подъемной машины РЭП2-ШПМ обеспечивает следующие характеристики:
• разгон, торможение и реверсирование подъемного электродвигателя (длительность разгона, торможения до 30 с);
• вращение электродвигателя с установившейся скоростью вращения, ее поддержание и регулирование в диапазоне 75:1;
• статическая точность поддержания скорости при применении прецезионного тахогенератора и изменении момента нагрузки от нуля до номинального до 1% на максимальной скорости и до 5% - на минимальной;
• формирование рабочей диаграммы скорости как треугольного, так и трапецеидального типа с заданным ускорением (замедлением) и ограничением рывка;
• ограничение скорости нарастания и спадания тока электродвигателя;
• бесступенчатое задание скорости при ручном управлении;
• допустимые перегрузки по току в зависимости от их длительности и в соответствии с техническими условиями на двигатели и тиристорные агрегаты;
• виды управления - ревизия, ручное, автоматическое (для клетевых ШПМ - лифтовый режим управления с осуществлением маневровых операций на горизонтах, для скиповых = по сигналам разгрузки-загрузки сосудов с возможностью отработки режима постановки ШПМ на отбой);
• учет характера груза ("груз", "люди", "оборудование", "ревизия") по информации с пульта;
• автоматическое регулируемое предохранительное торможение при наличии дискового тормоза; диапазон регулируемого замедления предохранительного торможения 0,75 - 5,0 м/с2 при точности отработки 25%;
• защиты, предусмотренные правилами безопасности на шахтах и рудниках;
• блокировки, запрещающие неправильные действия по управлению машиной;
• аварийную, запретную, оперативную, предупредительную сигнализации.

Технические характеристики электропривода

Наименование параметра	Pазмерность	Величина
Напряжение питающей  силовой сети	кВ	6 или 10
Номинальный выпрямленный ток   силовой цепи	А	1600, 2500, 3200,  4000, 5000, 6300
Номинальное выпрямленное  напряжение силовой цепи	В	440, 600, 750, 930
Напряжение трехфазной сети  собственных нужд	В	380
Напряжение тиристорного  возбудителя двигателя	В	440
Номинальный ток возбудителя	А	100, 200, 320, 500
Диапазон регулирования  скорости электродвигателя		75:1
Точность поддержания  скорости	%	1,0

По способу реверсирования электродвигателя электроприводы изготовляются в двух исполнениях: с реверсированием тока в цепи якоря и реверсированием тока в цепи возбуждения.
По количеству двигателей: однодвигательные и двухдвигательные.

В комплект электроприводов входят:
1. Цифровой электропривод.
2. Шкаф выпрямителя Ш.
3. Шкаф управления аппартуры технологической автоматики, защиты и сигнализации.
4. Щит управления вспомогательными приводами.
5. Шкаф управления тормозом, датчика стопорения и защиты от переподъема.

Силовая часть РЭП2-ШПМ конструктивно представляет собой щит, состоящий из шкафов напольного исполнения двухстороннего обслуживания. Электропривод шахтного подъема РЭП2-ШПМ может быть укомплектован сухими или масляными трансформаторами производства ОАО "Укрэлектроаппарат" (г. Хмельницкий, Украина), ОАО "Запорожтрансформатор" (г. Запорожье, Украина) или их аналогами.

Оборудование РЭП2-ШПМ установленное на шахте "Новая" г.Желтые воды мощностью 3750 кВт (5000 А, 750 В)

Рисунок 7 - Слева направо - шкаф системы управления приводом, шкаф ввода 1-я секция , шкаф силовой , шкаф ввода 2.-я секция, возбудитель.



Рисунок 8 - На переднем плане два шкафа -2-я секция ввода и возбудитель [10]



Рисунок 9 - Структурная схема РЭП2-ШПМ [1]



Рисунок 10 - Схема переключения устройств
(анимамация, объем - 62,5 Кб, состоит из 8 кадров,
9 повторений, сделана в Adobe ImageReady)

Литература

1. Электроприводы для шахтных подъемных машин мощностью от 630 до 6300 кВт\Укрэлектросервис\Харьков, Украина[Электронный ресурс]/ http://rotor.in.ua/mkeelektropriv3.php.

2. Шахтный подъем: Научно-производственное издание \ Бежок В.Р., Дворников В.И., Манец И.Г., Пристром В.А.; общ.ред. Б.А. Грядущий, В.А. Корсун.-Донецк: ООО "Юго-Восток,Лтд",2007.-624 с., 494 ил., 233 библиогр.

3. Еланчик Г.М., Проходцева Е. А. Шахтные стационарные установки. МИРГЭМ, 1964.

4. Флоринский Ф.В. Динамика шахтного подъемного каната. Под ред. Савина Г.Н. М.: Углетехиздат, 1958 г. 239 с.

5. Завозин Л. Ф. Шахтные подъемные установки. Изд. 2-е переработ. И доп. М., "Недра", 1975, 368 с.

6. Калиш С.И., Чебаненко К.И. Справочник машиниста шахтной подъемной машины. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу, 1962.

7. Динамические режимы рудничного подъема \ В.Е. Католиков, А.Д. Динкель . - М. : Недра, 1995 . - 448с.

8. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕЛИНЕЙНЫХ КОЛЕБАНИЙ СТРУНЫ И ОТВЕСА КАНАТА МОБИЛЬНОЙ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ Ильин С.Р., канд. техн. наук, с.н.с., Самуся С.В., аспирант, Институт геотехнической механики им Н.С.Полякова НАН Украины[Электронный ресурс] \ www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Npdntu/Gir/2008_16_142/St17.pdf

9. MKE - Электроприводы и преобразователи частоты[Электронный ресурс] / http://www.mke.com.ua/?p=29&till=&secure=&lang=.

10. Делком Украина — Датчики контроля положения унифицированные ДКПУ ⁄ Каталог продукции ⁄ Продукция [Электронный ресурс] \ http://delcom.com.ua/production/catalogue/dkpu/.

11. В.Н. Потураев, А.Г. Червоненко, Л.В. Колосов и др. Вертикальный транспорт на горных предприятиях // М.: Недра, 1975. - 351с.