Авторы: Челпанов А. С., Ткачук А. Н.
Источник: Взрывозащищенное оборудование: сборник научных трудов УкрНИИВЭ — Донецк, 2007. — С. 381 — 387.
Постановка проблемы
Режим работы конвейеров на карьерах и в шахтах характеризуется неравномерностью нагрузки на тяговый орган, зависящей от производительности добычных машин. Существующий метод расчета конвейерных установок даёт возможность определять погонную нагрузку q на тяговый орган, теоретическую производительность и мощность приводного двигателя исходя из производительности добычных машин, усреднённой по времени. Однако этот метод расчёта не учитывает случайный характер параметров гранулометрического состава транспортируемого груза, хотя очевидно, что насыпная плотность груза не является постоянной величиной. Кроме этого двигатели, эксплуатирующиеся сегодня, были разработаны в прошлом столетии с использованием имевшихся в то время изоляционных и конструктивных материалов, которые не могут обеспечить существующие на сегодняшний день требования к качеству работы привода, что приводит к частым отказам приводных двигателей по причине низкой надёжности их отдельных узлов и деталей.
Анализ публикаций
На сегодняшний день известно множество научных работ, посвященных изучению случайного характера нагрузки на элементы конструкции транспортных машин [1]. Однако причины, вызывающие неравномерность нагрузки на тяговые органы конвейерных установок, требуют дополнительного изучения.
На предприятиях, специализирующихся на ремонте двигателей, постоянно проводится анализ отказов образцов, поступивших на ремонт. При этом особое внимание уделяется выходу из строя узлов, приводящих двигатель в неремонтопригодное состояние.
Цель статьи
Целью данной статьи является оценка влияния неравномерности нагрузки на тяговый орган ленточных и скребковых конвейеров на вероятность отказов приводных двигателей конвейерных установок.
Для достижения поставленной цели в статье решены следующие задачи:
– систематизация отказов приводных двигателей конвейеров;
– оценка неравномерности нагрузки на тяговые органы;
– анализ влияния неравномерности грузопотока на аварийность приводных двигателей.
Результаты исследований
Анализ отказов двигателей типа 2ЭДКОФ, ВКДВ, 2ВР и др. проводился на базе статистических данных ООО Донецкий электромеханический завод", ОАО «Донбассэлектромотор» и других предприятий, специализирующихся на ремонте двигателей, за период сентябрь 2000 — сентябрь 2001 года. В результате этого анализа были определены наиболее аварийные сборочные единицы, детали и узлы двигателей [2]. Исследования показали, что основные причины выхода из строя двигателей: пробой изоляции обмотки статора — 40 ÷ 60%, повреждение обмотки ротора — 30 ÷ 40%, разрушение вентиляционного узла — 3 ÷ 15%, подшипников — 7 ÷ 20%. Повреждение обмотки ротора обусловлено различными причинами, такими как: несоблюдение режима работы двигателя — пуск перегруженного конвейера, в том числе путем многократных включений — «раскачивания», при котором двигатель остается не развернувшимся (подача напряжения на обмотку статора при незатухшем магнитном поле обуславливает увеличение пускового момента), частые пуски под нагрузкой; отключение при эксплуатации цепей температурной защиты, что приводит к незащищенности двигателя при повышенных нагрузках и частых пусках.
Большинство конвейерных двигателей имеют короткозамкнутую литую алюминиевую обмотку ротора. При работе в экстремальных для двигателя режимах обмотка ротора перегревается, что приводит к нагреву и расплавлению алюминия, который, вытекая из паза, попадает на изоляцию обмотки статора, в результате чего изоляция обмотки статора прогорает, происходит замыкание проводников, либо замыкание на корпус и двигатель выходит из строя. Аналогичный отказ происходит при некачественной заливке стержней роторной клетки алюминием на предприятии-изготовителе двигателей. В первую очередь выплавляются стержни с недоливами и утонениями, т.к. они имеют заниженное сечение и по ним протекает ток большей плотности.
Рис. 1. Гистограмма отказов двигателей.
Выплавление обмотки ротора приводит двигатель в неремонтопригодное состояние, при этом традиционно считается, что причиной данного отказа являются перегрузки двигателя, вызванные нарушениями при его эксплуатации. Однако высокий процент данного отказа свидетельствует о том, что причинами его появления является не только неправильная эксплуатация, но и недостатки в самой конструкции двигателя, которая, вероятно, недостаточно удовлетворяет возросшим требованиям к его перегрузочной способности.
В настоящее время нагрузка на тяговый орган определяется по формуле:
Сравнение результатов расчетов погонных нагрузок на тяговые органы конвейеров показало, что погонная нагрузка является случайной величиной, распределённой по нормальному закону, средние значения её расчетных величин при постоянном и переменном характере насыпной плотности груза практически совпадают. Однако разброс значений оказался выше при учёте вероятностного характера гранулометрического состава транспортируемого груза, при этом разброс значений будет тем выше, чем выше разброс значений относительных линейных размеров частиц.
Например, при определении погонной нагрузки на ленту магистрального ленточного конвейера КЛМ-1,2-800-2М, установленного на Жеголевском карьере ОАО «Комсомольское рудоуправление», рассчитанной по существующей методике , полученные значения лежат в интервале:
67 ≤ ≤ 90 кг/м.
а при вычислении способом, учитывающем вероятностный характер гранулометрического состава транспортируемого груза:
56 ≤ ≤ 102 кг/м.
При этом разброс полученных значений погонных нагрузок распределяется по нормальному закону, законы распределения приведены на рисунке 2.
Рис. 2. Законы распределения погонной нагрузки на тяговый орган ленты по данным магистрального ленточного конвейера КЛМ-1,2М, установленного на Жеголевском корьере ОАО «Комсомольское рудоуправление».
Таким образом, учет в расчетах конвейеров гранулометрического состава транспортируемого груза показывает, что реальная неравномерность грузопотока намного выше, чем предполагает усреднённый расчет.
Представленные выше расчеты были приведены для ленточного конвейера с коэффициентом неравномерности грузопотока kн равным (1,1-1,5). У скребковых конвейеров, работающих в лаве, неравномерность грузопотока значительно выше, чем у ленточных, и составляет (2-2,5), следовательно, учёт вероятностного характера гранулометрического состава в этом случае приведёт к ещё большим показателям неравномерности нагрузки на тяговый орган. [4].
Кроме того, набросы нагрузки в конвейерах возможны не только за счёт неравномерности грузопотока, но и при заштыбовке, заклинивании тягового органа, пуске перегруженного конвейера и т. д.
В перечисленных выше случаях ток ротора возрастает в 6-9 раз по сравнению с номинальным. При двухклеточной роторной обмотке этот ток магнитным полем вытесняется на верхнюю пусковую обмотку, что влечет за собой быстрый её нагрев и срабатывание температурного реле, установленного на лобовой части обмотки статора. Включение двигателя будет возможным после остывания лобовой части обмотки статора до температуры срабатывания температурного датчика при возврате. Однако температура роторной обмотки будет выше статорной, так как она остывает медленнее, что обусловлено наличием воздушного зазора. Следовательно, при последующем включении нагрев роторной обмотки будет происходить с более высокого значения температуры, что вновь приведет к срабатыванию тепловой защиты. При этом, как показал опыт эксплуатации, уже после восьмого пуска температура ротора достигнет температуры плавления алюминия (658 С) и произойдет выплавление алюминиевой короткозамкнутой обмотки ротора [5].
Задачу повышения надёжности привода при сохранении его выбранной мощности можно решить, например, применением для обмотки статора изоляционных материалов более высокого класса нагревостойкости, а также заменой литых обмоток ротора из алюминия на сварные (спаянные) обмотки из других металлов, позволяющих повысить допустимую температуру нагрева, а также обеспечить стабильность сечения стержней обмотки ротора и высокие качества их материала.
Примером таких конструктивных решений является двухклеточная обмотка ротора, выполненная из круглых латунных (верхняя клетка) и трапециевидных медных стержней (нижняя клетка) приваренных или припаянных к короткозамыкающим кольцам.
Выводы
Систематизация отказов показала, что вероятность выплавления короткозамкнутой обмотки ротора приводных двигателей конвейерных установок достигает 40%, что свидетельствует не только о неправильной их эксплуатации, но и наличии недостатков в самой конструкции двигателей.
Учёт вероятностного характера гранулометрического состава транспортируемого груза показал, что набросы нагрузок на тяговые органы в реальных приводах возникают намного чаще, чем показывает усреднённый расчёт, что и является наиболее вероятной причиной выплавления короткозамкнутой обмотки ротора.
Повышение мощности приводных двигателей конвейерных установок на одну ступень не является эффективным решением задачи повышения его надёжности, целесообразно предусматривать в их конструкции повышенные максимальный Мmax и пусковой Мпуск моменты, а также обеспечивать устойчивость отдельных узлов двигателей к повышению их температуры. Однако повышение максимального момента Мmax неминуемо приводит к повышению пускового тока Iпуск , что иногда может потребовать совершенствования пусковой аппаратуры.
1. Шахмейстер Л. Г., Дмитриев В. Г. Вероятностные методы расчёта транспортирующих машин. — М.: Машиностроение, 1983. — 256 с.
2. А. Н. Ткачук, А. И. Аниканов. Влияние режима работы скребкового конвейера на аварийность приводного электродвигателя // Взрывозащищенное оборудование: Сб. научн. трудов УкрНИИВЭ. — Донецк. 2003. — С. 138 — 143.
3. А. Н. Ткачук. Оценка влияния гранулометрического состава насыпного груза на его плотность // Известия Донецкого горного института. — Донецк, 1996. — № 2(4). — С. 81–83.
4. Захарченко П. И., Каика В. В., Карась С. В. Концепция создания АД для привода забойных скребковых конвейеров // Уголь Украины. — 1998. — №7. — С. 12 — 14.
5. Ширнин И. Г., Ткачук А. Н. Выплавление короткозамкнутой обмотки ротора двигателя горных машин // Вісник СНУ ім. В. Даля — 2005. — №3. — С. 143 — 148.
6. Теоретические основы и расчёты транспорта энергоёмких производств. Под ред. В. А. Будишевского, А. А. Сулимы. — Донецк, 1999. — 216 с.