|
|
Вступ
Головну роль у розвитку промисловості України грає паливно-енергетичний комплекс. Функціонування і розвиток паливно-енергетичного комплексу України значною мірою зумовлюються станом і розвитком вугільної промисловості, яка широко поширена в нашому регіоні.
У загальному комплексі виробничих процесів вугільних шахт важливе місце займають транспорт і підйом, який виробляється підйомними машинами і лебідками. Шахтні підйомні машини призначені для обладнання шахтних підйомних установок вертикальних і похилих стовбурів шахт, які використовуються для переміщення підйомних судин при підйомі корисних копалин і породи, узвозі-підйомі людей, матеріалів, обладнання, ревізії і огляді стовбура, навішування і зміну підйомних і врівноважують канатів. [2]
Цілі і завдання, які повинні вирішуватися
- Дослідження амплітудно-частотних характеристик просторових поздовжньо-поперечних коливань похилій струни головного каната і геометричних, режімнимих та інерційних параметрів підйомної установки.
- Знаходження залежностей між амплітудно-частотними характеристиками просторових поздовжньо-поперечних коливань похилій струни головного каната і геометричними, режимними і інерційними параметрами підйомної установки.
- Розробка пристрою для поглинання коливань каната шахтної підйомної установки.
- Розробка системи управління пристроєм для поглинання коливань канату та системи автоматизації приводу шахтної підйомної установки з застосуванням даного пристрою.
- Обгрунтування застосування датчиків і комплектного електропривода з пристроєм для поглинання коливань каната шахтної підйомної установки.
Актуальність і мотивація теми роботи
Основна частина підйомної установки - підйомна машина - складний електромеханічний механізм, що складається з окремих елементів, що виконують різні функції. Раціональний вибір цих елементів і встановлення оптимальних режимів роботи машини повністю визначають безпеку та економічність експлуатації підйомної установки. У зв'язку з цим всебічний розгляд існуючих теорії і практики розрахунку і вибору окремих елементів підйомної машини заслуговують особливої уваги при проектуванні нової або реконструкції діючої шахтної підйомної установки. Для визначення ефективності роботи установки необхідно встановити оптимальну масу вантажу, що піднімається, скипів, визначити оптимальні значення прискорення, уповільнення і швидкості підйому, вибрати і розрахувати потужність приводного двигуна, розташування підйомної машини відносно ствола шахти, визначити наведену масу підйомної установки, ефективну потужність підйому, витрата електричної енергії і ККД підйомної установки, побудувати пускові характеристики двигунів і розрахувати роторні опору.
Огляд досліджень і розробок з цієї теми
Дослідження в цій області проводилися О. А. Горошко, Г. М. Савіних, Ф. В. Флоринський, Л. В. Колосова, В.І. Дворнікова, О. М. Обуховим, Г. А. Тріфановим та ін
За основу взято математична модель нелінійних коливань струни і схилу каната мобільного підйомної установки Ільїна С.Р. (Канд. техн. Наук, с.н.с.), Самуся С.В. (Аспірант, Інститут геотехнічної механіки ім М. С. Полякова НАН України). Ця модель може бути застосована до стаціонарних підйомним установок, тому що базувалася на положеннях розроблених для них. У моделі враховувалося спільне взаємовплив поперечних коливань струни канату та поздовжніх коливань гілки канату.
Для складання нелінійних диференціальних рівнянь поздовжньо-поперечних коливань похилій струни і поздовжніх коливань схилу каната однокінцевої ШПУ розглянемо розрахункову схему системи з розподіленими параметрами, представлену на рис.1.
Рисунок 1 - Розрахункова схема підйомної установки
Вихідні рівняння поперечних коливань струни і поздовжніх коливань схилу каната мають вигляд:
Виведемо рівняння поздовжніх коливань схилу зі струною з урахуванням впливу поперечного динамічного відхилення струни на поздовжні деформації каната. Розглядаючи елемент dx каната, будемо вважати, що подовження елемента dx в точці x складається з суми двох частин - подовження U (x, t) внаслідок чисто пружних поздовжніх коливань каната з кінцевим вантажем і подовження Uv (x, t), викликаного поперечним відхиленням струни :
 (3)
Відповідно, зусилля в перерізі каната
 (4)
Як відомо, довжина дуги каната в перерізі x при поперечних коливаннях дорівнює
 (5)
Враховуючи, що величина V '(x, t) для реальних параметрів установок мала в порівнянні з одиницею, розкладемо подінтегральний вираз у степеневий ряд і обмежуючись двома першими членами першого порядку малості, отримаємо:
 (6)
Тоді, поздовжнє подовження каната UV (x, t) на ділянці дуги в точці x, викликане тільки його поперечними коливаннями з точністю до малих більш високого порядку дорівнюватиме
 (7)
Підставляючи (4) - (7) в (2) і виконавши необхідні перетворення, отримаємо наступне нелінійне рівняння в приватних похідних, що описує в першому наближенні поздовжні коливання схилу каната з урахуванням впливу поперечного відхилення струни:
 (8)
Обчисливши похідні в правій частині (4) і підставивши в (1), отримаємо нелінійне рівняння поперечних коливань струни канату
 (9)
Рівняння (8) і (9) являють собою систему нелінійних взаємопов'язаних рівнянь в приватних похідних, що описують спільну динаміку струни і схилу каната підйомної установки з урахуванням їх двостороннього впливу.
З огляду на складність побудови розв'язку такої системи, для дослідження її основних динамічних властивостей побудуємо дискретний динамічний аналог розглянутої механічної системи у спосіб, встановлений в монографії [11], розрахункова схема якого представлена на рис 2.
Рисунок 2 - Розрахункова схема дискретного динамічного аналога підйомної установки
де:
mcmp - приведена маса динамічного аналога струни;
mгр - приведена маса динамічного аналога схилу каната з вантажем.
Значення наведених мас дискретного аналогу знайдемо з умови рівності перших власних частот поперечних і поздовжніх коливань ланок дискретного та континуальної лінійних систем, відповідних вихідної без урахування впливу нелінійних ефектів.
Як відомо, перша частота поздовжніх коливань континуального важкого каната з вантажем на кінці у першому наближенні може бути визначена за формулою Релея
 (10)
де:
Q - маса вантажу;
q - маса одиниця довжини струни.
Перша частота поперечних коливань вагомою струни, натягнутою постійної силою S, визначається за формулою:
 (11)
де S = (Q + q (lk - lcmp) ? g;
тоді
 (12)
Використовуючи принцип Даламбера, лінійне диференціальне рівняння вільних поперечних коливань вантажу з наведеної масою струни mcmp має вигляд:
 (13)
Отже, перша парціальна частота поперечних коливань вантажу mcmp дорівнює
 (14)
З умови рівності парціальних частот ? cmp = ? ~ cmp знайдемо
 (15)
Виведемо нелінійну модель коливань дискретного аналога для досліджень в першому наближенні амплітудно-частотних характеристик вихідної системи і її стійкості.
На підставі принципу Даламбера диференціальні рівняння коливань дискретної системи, представленої на рис.2, мають вигляд:
 (16)
де сила натягу струни з урахуванням динамічної складової S = [x + ? x (y)] C;
C = EF / lcmp;
x - пружне подовження каната.
Вважаємо, що k ? x <
Обчислимо ? x - пружне подовження каната за рахунок поперечного відхилення вантажу mстр.
З рис.2 видно, що
 (17)
Нехтуючи членами порядку малості ? x2 в першому наближенні знайдемо
 (18)
Підставивши отримані вирази в диференціальні рівняння (7), отримаємо систему двох диференціальних рівнянь відносно x, y:
 (19)
З урахуванням дисипації, пропорційної швидкості переміщення мас
 (20)
де
? - коефіцієнт дисипації, отримаємо аналогічну систему диференціальних рівнянь виду:
 (21)
Рішення системи чисельним методом дозволило встановити наявність взаємовпливу динамічних процесів в струні та виска каната і знайти перші дві зони нестійкості для різних співвідношень довжин струни і схилу каната. На рис. 3 наведені графіки поздовжніх коливань рівня і поперечних коливань струни канату для різних співвідношень довжин рівня і струни.
Експериментальні дослідження взаємовпливу динамічних процесів в струні та виска каната проводилися на діючій підйомної установки при гальмуванні в режимах спуску і підйому порожнього навантаженого підйомного судини в різних точках стовбура. Вимірювання відповідних параметрів проводити цифрову вимірювальною апаратурою МАК, розробленої в ІГТМ НАН України.
 [8]
Власні результати
Для погашення коливань струни канату пропоную застосувати пристрій, захоплююче канат при аварійному гальмуванні. Загальний вигляд пристрою встановлюється на копрі показаний на рис.4, у барабана - на ріс.4б.
Малюнок 4а - Загальний вигляд пристрою на копрі
Малюнок 4б - Загальний вигляд пристрою у барабана
1 - рама; 2 - рамка-ловітель; 3 - дугоподібна планка; 4 - гідродомкрати; 5 - притискає пружини; 6 - напрямна балка.
Рама призначена для кріплення на ній елементів пристрою і повинна забезпечувати жорсткість конструкції. Рамка-ловітель і дугоподібна планка призначені для фіксації каната в нижній частині рамки при аварійному гальмуванні. Поверхні рамки-ловітель і дугоподібної планки покриті шаром поліуретану для запобігання ушкоджень каната при зіткненні з ними. Гідродомкрати віджимають дугоподібну планку від рамки-ловітель в нормальному режимі роботи підйомної установки. При аварійному гальмуванні відкривається засувка дозволяє рідини досить швидко залишити поршневі порожнини гідродомкратів. Притискає пружини необхідні для притиснення дугоподібної планки до рамки-ловітель при аварійному гальмуванні. Напрямна балка служить для переміщення по ній рамки-ловітель.
Пристрій у барабана має рухому рамку, яка переміщається по направляючої і має електричний привід. Положення рамки визначається за сигналом вступнику з командоаппарата управління і залежить від становищем судини.
Згідно з графіками, наведеними на рис.3, щоб не допустити нестійкі коливання, співвідношення довжин струни і схилу каната не повинна дорівнювати 1 і 5. Для цього необхідно встановити два пристрої на копрі, які будуть регулювати довжину струни в залежності від положення підйомного судини при аварійному гальмуванні. Спрацьовує лише один з пристроїв на копрі і пристрій у барабана. При спрацьовуванні пристрою, для розрахунку коливань за допомогою системи диференціальних рівнянь (21), буде розглядатися не повна довжина струни від барабана до копра lстр, а тільки її відрізок від копра до одного з пристроїв. Тобто довжина струни в цьому випадку буде дорівнювати L1 або L1 + L2 залежно від положення підйомного судини.
Рисунок 5 - Схема розташування пристроїв
При проходженні судини у електромагнітних датчиків встановлених у стовбурі, подається сигнал на пульт управління підйомною машиною, після чого визначається яке з двох пристроїв активно.
Пропоную використовувати Датчики контролю положення уніфіковані ДКПУ
Малюнок 6 - Датчик ДКПУ-12
Призначені для захисту підйомних установок від перепід'йома, контролю положення шахтних рухомих об'єктів, у тому числі кінцевий захисту та забезпечують самоконтроль справності своїх електричних схем. Датчик випускається в двох модифікаціях:
• ДКПУ-12 - для застосування в шахтах, в тому числі небезпечних по газу або пилу і складається з блоку виконавчого БІ-1, первинного перетворювача ПП-2 і магніту МПП.
• ДКПУ-22 - для застосування на поверхні шахт і складається з блоку виконавчого БІ-2, первинного перетворювача ПП-2 і магніту МПП.
Блоки БІ-1 і БІ-2 можуть експлуатуватися при температурі навколишнього повітря від мінус 10 до 35 ° С, перетворювач ПП-2 - при температурі від мінус 40 до 40 ° С, з вологістю до 100% при температурі 35 ° С.
Технічна характеристика датчика
|
Напруга живлення (частотою 50Гц), В
|
|
|
ДКПУ-12
|
660/380/127
|
|
ДКПУ-22
|
380/220/127
|
|
Споживана потужність, В • А, не більше
|
20
|
|
Робочий зазор між первинним перетворювачем
і об'єктом контролю, мм, не більше
|
160
|
|
Час спрацювання датчика,
с, не більше
|
0,1
|
|
Кількість контактів вихідних реле
|
2р, 2З
|
|
Маса, кг, не більше
|
|
Блоку БІ-1
|
33
|
|
Блоку БІ-2
|
3,7
|
|
Перетворювачі ПП-2
|
1,6
|
|
Магніта МПП
|
1,6
|
|
Габаритні розміри, мм
|
|
Блоку БІ-1
|
420х380х350
|
|
Блоку БІ-2
|
145х215х175
|
|
Перетворювачі ПП-2
|
220х160х75
|
|
Магніта МПП
|
230х60х75
|
|
ТУ 12.48.190-85
|
[10]
Для керування пристроями пропоную застосувати комплектний регульований електропривод постійного струму з мікропроцесорним управлінням серії РЕП2-ШПМ.
Комплектне пристрій призначений для керування електродвигуном постійного струму шахтних підйомних машин та інших механізмів, що вимагають регулювання швидкості в широких межах.
Призначення комплектного приводу - для нових електроприводів ШПМ і модернізації діючих ШПМ.
РЕП2-ШПМ є новим поколінням спеціалізованих регульованих електроприводів постійного струму, призначених для ШПМ.
Відмінні особливості:
• нові схемотехнічні та конструктивні рішення щодо силової частини якірного перетворювача та збудника, що дозволили їх істотно спростити, зменшити в габаритах, за вагою, при одночасному підвищенні надійності (при збереженні резервування та інших "напрацьованих" позитивних рішень серії УКТЕШ);
• нові уніфіковані мікропроцесорні системи управління перетворювачем, збудником і приводом, в цілому (з урахуванням технології). Слід зазначити, що останнє рішення є уніфікованим для електроприводів ШПМ будь-яких типів-постійного і змінного струмів.
Привід шахтної підйомної машини РЕП2-ШПМ забезпечує наступні характеристики:
• розгін, гальмування і реверсування підйомного електродвигуна (тривалість розгону, гальмування до 30 с);
• обертання електродвигуна з усталеною швидкістю обертання, її підтримку і регулювання в діапазоні 75:1;
• статична точність підтримки швидкості при застосуванні прецезіонного тахогенератора і зміну моменту навантаження від нуля до номінального до 1% на максимальній швидкості і до 5% - на мінімальній;
• формування робочої діаграми швидкості як трикутного, так і трапецеідального типу з заданим прискоренням (уповільненням) і обмеженням ривка;
• обмеження швидкості наростання і спадання струму електродвигуна;
• безступінчасте завдання швидкості при ручному управлінні;
• допустимі перевантаження по струму в залежності від їх тривалості та відповідно до технічних умов на двигуни та тиристорні агрегати;
• види управління - ревізія, ручне, автоматичне (для клітьових ШПМ - ліфтовий режим управління із здійсненням маневрових операцій на горизонтах, для скіпових = за сигналами розвантаження-завантаження судин з можливістю відпрацювання режиму постановки ШПМ на відбій);
• облік характеру вантажу ("вантаж", "люди", "обладнання", "ревізія") за інформацією з пульта;
• автоматичне регульоване запобіжний гальмування при наявності дискового гальма; діапазон регульованого уповільнення запобіжного гальмування 0,75 - 5,0 м/с2 при точності відпрацювання 25%;
• захисту, передбачені правилами безпеки на шахтах і рудниках;
• блокування, що забороняють неправильні дії з управління машиною;
• аварійну, заборонену, оперативну, попереджувальну сигналізації.
Технічні характеристики електроприводу
|
Найменування параметра
|
Pазмерность
|
Величина
|
|
Напруга живильної
силової мережі
|
кВ
|
6 або 10
|
|
Номінальний випрямлений
струм
силового ланцюга
|
А
|
1600, 2500, 3200,
4000, 5000, 6300
|
|
Номінальна випрямлена
напруга силового ланцюга
|
В
|
440, 600, 750, 930
|
|
Напруга трифазної мережі
власних потреб
|
В
|
380
|
|
Напруга тиристорного
збудника двигуна
|
В
|
440
|
|
Номінальний струм збудника
|
А
|
100, 200, 320, 500
|
|
Діапазон регулювання
швидкості електродвигуна
|
|
75:1
|
|
Точність підтримки
швидкості
|
%
|
1,0
|
За способом реверсування електродвигуна електроприводи виготовляються у двох виконаннях: з реверсуванням струму в ланцюзі якоря і реверсуванням струму в ланцюзі збудження.
За кількістю двигунів: однодвигунові і дводвигунових.
У комплект електроприводів входять:
1. Цифровий електропривод.
2. Шафа випрямляча Ш.
3. Шафа управління аппартури технологічної автоматики, захисту та сигналізації.
4. Щит управління допоміжними приводами.
5. Шафа управління гальмом, датчика стопоріння та захисту від перепід'йома.
Силова частина РЕП2-ШПМ конструктивно являє собою щит, що складається з шаф підлогового виконання двостороннього обслуговування. Електропривод шахтного підйому РЕП2-ШПМ може бути укомплектований сухими або масляними трансформаторами виробництва ВАТ "Укрелектроапарат" (м. Хмельницький, Україна), ВАТ "Запоріжтрансформатор" (м. Запоріжжя, Україна) або їх аналогами.
Обладнання РЕП2-ШПМ встановлене на шахті "Нова" м. Жовті води потужністю 3750 кВт (5000 А, 750 В)
Рисунок 7 - Зліва направо - шафа системи керування приводом, шафа вводу 1-а секція, шафа силовий, шафа введення 2.-я секція, збудник.
Малюнок 8 - На передньому плані дві шафи-2-я секція введення і збудник [10]
Рисунок 9 - Структурна схема РЕП2-ШПМ [1]
Рисунок 10 - Схема перемикання пристроїв (анімамація, об'єм - 62,5 Кб, складається з 8 кадрів, 9 повторень, зроблена в Adobe ImageReady)
Література
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.
|
|
