CC BY
38
УДК 622.232.8
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ ОЧИСТНОГО КОМПЛЕКСА
А. А. Подколзин
Рассмотрены внутренние и внешние факторы, возникающие при выполнении операций технологического цикла добычи полезных ископаемых, влияющие на динамическое нагружение электромеханической системы насосной установки, предложены решения по повышению эффективности и надежности работы системы за счет использования демпфирующих свойств электропривода.
Ключевые слова: очистной комплекс, механизированная крепь, насосная установка, динамические возмущения, моделирование, эффективность.
Требуемый уровень эффективности технологических процессов добычи угля подземным способом обеспечивается высокопроизводительными очистными комплексами и агрегатами. Важнейшим элементом механизированной крепи комплекса является ее гидроэнергетическая установка, подающая в гидросистему рабочую жидкость под высоким давлением. В насосных установках, как правило, применяют поршневые насосы с постоянным рабочим объемом и подачей. При выполнении операций технологического цикла расход и давление жидкости не постоянны из-за изменяющихся горно-геологических условий работы, технологической схемы работы комплекса и свойств исполнительных механизмов гидропривода, что приводит к возникновению дополнительных динамических нагрузок на оборудование и снижению эффективности и надежности работы.
Многочисленными исследованиями было установлено, что при нормальной работе комплекса в течение суток насосная станция обычно включена 18 - 22 часа и только 25 - 40 % этого времени рабочая жидкость подается в магистраль для выполнения рабочих операций [1]. Также было определено, что вероятность безотказной работы электромеханической системы насосной станции составляет от 0,4 до 0,8, что напрямую связано с простоями оборудования и потерями добычи полезного ископаемого.
Изменения давления и подачи жидкости в гидросистеме приводит к формированию динамических процессов в электромеханической системе (ЭМС) насосных установок, в результате чего превышение момента на валу электродвигателя по отношению к его номинальной величине в ряде случаев достигает 20 - 30 %, приводит к снижению надежности установки и оборудования комплекса и повышению энергопотребления.
Решение поставленных задач потребовало разработки обобщенной математической модели, обеспечивающей расчет переходных процессов, протекающих в гидросистеме крепи и насосном агрегате, выявление и исследование параметров нагружения ЭМС насосных установок, оптимиза-
цию параметров системы. При составлении математической модели было принято: распределенные параметры заменены конечным множеством сосредоточенных параметров, математическая модель состоит из уравнений баланса расходов и уравнений движения отдельных элементов системы, уравнения расходов составляются при допущении, что жидкость в гидросистеме однородна и неразрывна. Для узлов, в которых происходит разделение или слияние потоков жидкости, составляются уравнения баланса. Волновые процессы в трубопроводах описываются уравнениями в частных производных. Для их решения использован метод дискретизации пространства, который заключается в замене конечно-разностными выражениями пространственных производных в уравнениях и краевых условиях.
Гидросистема крепи была разделена на ряд характерных участков: одна или несколько насосных станций; штрековые участки напорной и сливной гидромагистралей от насосной станции до крепи; лавные участки напорной и сливной гиромагистралей от начала крепи до управляемой секции; напорная и сливная части гидроразводки по секции крепи; участки напорной и сливной части гидромагистралей от управляемой секции крепи до конца крепи; напорная и сливная части гидроразводки крепей сопряжения на концах лавы.
Для каждого участка был составлен свой модуль математической модели с достаточной для требуемой задачи степенью детализации описания процессов. Например, математическое описание участка насосной станции, состоящего из насосного агрегата, регулирующей аппаратуры, блока пневмогидроаккумуляторов и элементарного участка напорной магистрали, имеет вид:
4ні(Рні) = Р Хні + [С ні( Рні) + С ак (Рні)] рнР
Рі(Рні - ри2> = °>5(тніХні + 4ніР Х2і)>
где дні(рні) - характеристика насосной установки; р -рабочая площадь поперечного сечения активной полости гидроцилиндра передвижения; х ні, х ні - скорости и ускорения масс жидкости напорной магистрали; Сні (рні) - коэффициент объемной сжимаемости жидкости и деформации рукавов; Сак (рні) - коэффициент объемной сжимаемости аккумулятора; рні, р ні - давление и скорость изменения давления в рукавах, соединяющих напорную магистраль с блоком управления; рн2 - давление в рукавах, соединяющих блок управления с полостями гидроцилиндра передвижения; тні - приведенная масса жидкости напорной магистрали; £ні, - коэффициент гидравлического сопротивления рукавов напорной магистрали.
Основной функцией гидропривода крепи является обеспечение требуемой скорости крепления лавы. Общее время передвижения секции крепи складывается из суммы времен выполнения отдельных операций:
56
к
£ ц = X 1к = £ +£ + £ + £ + £ + £ + £ + £ , (2)
ц к 1 к с.р о дв р.к р.с п РБУ в
где к - количество операций данного технологического цикла, 1с р - время снятия распора секции; £о - время осадки секции; £дв - время движения секции; £р.к - время кинематического распора; 1;р.с - время силового распора; 1;п - время перехода оператора на соседнюю секцию; 1р БУ - время работы с рукоятками блока управления; 1;в - время выполнения вспомогательных неперекрываемых операций.
Длительность отдельной операции в общем случае выражается следующей зависимостью [1]:
К J
¿г т = ¿г у + £ п + Х гк к + £к )+ Х {¿о! сг т ), (3)
К=1 ]=1
где т - индекс операции и секции; £у - время на подготовку к управлению; К - число управляющих гидроэлементов; г - число переключений управляющих элементов; ¿к - быстродействие гидроэлемента или магистрали; £к - время переключения элементов блока управления; J - число исполнительных гидродвигателей; ^ - расчетное время работы гидродвигателей при выполнении операции; ст - коэффициент, учитывающий изменение расчетной скорости движения рабочего звена гидродвигателя в различных секциях при различных операциях.
Адекватность обобщенной математической модели реальным процессам достигается анализом на каждом участке характера нагрузок и движения штока гидрдвигателя и выбором переменной структуры решаемых нелинейных дифференциальных уравнений.
Мощность на валу насоса определяется по формулам:
N = М » = Он Рн —1— • (4)
н н ПоПмПг
где Мкр - крутящий момент на валу насоса; ю - угловая скорость вращения вала; Он и рн - действительная подача и давление жидкости, создаваемое насосом; по, Пм и пг - соответственно объемный, механический и гидравлический коэффициенты полезного действия (КПД) насоса.
Для многопоршневого насоса действительная подача определяется по формуле
п dп 1
Он = 2—Ь п По > (5)
где г - число поршней насоса; йп - диаметр поршня, И - ход поршня.
Колебания подачи, связанные с конструктивными особенностями насоса (внутренние возмущающие воздействия), характеризуются коэффициентом неравномерности, который после обработки данных [1] в зависимости от г может быть описан соотношением 8 = А га (при нечетном числе поршней А = 127,77, а = - 2,0162; при четном - А = 546,45, а = - 2,0404).
Моделирование процессов в гидроприводе крепи при выполнении операций технологического цикла проводилось на примере работы насосной станции СНТ - 32 (ОАО "Агрегатный завод, г. Людиново Калужской области) и позволило установить закономерности внешних возмущающих воздействий ЭМС, некоторые из которых представленных на рис. 1. Как видно из графиков, коэффициент мощности электропривода насосной установки изменяется в значительных пределах (это характеризует значительные колебания крутящего момента асинхронного электродвигателя АД, зависимого от величины давления в гидросистеме). В пиковых точках коэффициент мощности значительно превышал значение 1,0, характеризующее установленную мощность электродвигателя высоконапорного насосного агрегата.
О 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,С
Бремя, с
Рис. 1. Изменение коэффициента мощности насосной установки при выполнении операций технологического цикла: а - кинематический распор; б - передвижение секции;
в - осадка секции
Нагрузка электромеханической системы насосной установки носит сложный динамический характер. Колебания и автоколебания в ЭМС вызывают повышенные нагрузки в трансмиссии, а также колебания момента и тока электродвигателя, обуславливающие дополнительные потери мощ-
ности и повышенный нагрев обмоток, что негативно отражается на надежности электродвигателя. Одним из путей гашения колебаний в системе является использование демпфирующих свойств электропривода.
В работе было проведено исследование демпфирующих свойств разомкнутой ЭМС насосной установки, структурная схема которой приведена на рис. 2. Механическая часть ЭМС представлена в виде двухмассовой упругой системы, для оценки степени затухания колебаний использован логарифмический декремент [2].
Рис. 2. Структурная схема ЭМС насосной установки
Уравнения динамической характеристики электропривода с достаточным приближением можно представить:
М = Мкз- Р®! - Тэ ^, (6)
ш
где Мкз - установившийся момент короткого замыкания; в - жесткость статической механической характеристики; Тэ - электромагнитная постоянная времени.
Известно, что уравнение (6) с известным приближением представляет и динамическую механическую характеристику АД в области малых скольжений (,? < ^к), причем коэффициенты уравнения выражаются через параметры АД:
Мкз = ^; в=-2Мж-; Тэ = , (7)
—0эл —0эл ^
где Бк - критическое скольжение; Мк - критический момент двигателя; —0эл - синхронная частота вращения.
Уравнение (6) справедливо для всех двигателей с линейной и линеаризованной механической характеристикой при пренебрежении электромагнитной инерцией двигателей.
Для определения оптимальных величин: декремента затухания X, жесткости в и скольжения а исследованы переходные процессы в ЭМС с помощью пакета стандартных программ ТАУ. В результате анализа поведения корней характеристического уравнения, полученных амплитудных и фазовых характеристик установлены оптимальные значения жесткости Ропт, при которой обеспечивается оптимальное гашение колебаний момента в ЭМС. Так как жесткость характеристик существующих электродвигателей насосных установки в значительно отличается от значений, соответствующих вмакс, проведено исследование ЭМС насосных станций на устойчивость. Для данных параметров ЭМС Хтах=1,5 , ропх=21 Нмс и аопт=0,1 при которых снижение колебаний момента ДАМ составляет 20 %.
На основании результатов исследований была усовершенствована электромеханическая система насосной станции СНТ-32. Стендовыми испытаниями (на стендах ОАО "СЭЗ" и ОАО "ПНИУИ", г. Новомосковск Тульской обл.) было установлено соответствие расчетных значений оптимальных параметров электромеханической системы проектным в различных режимах работы гидросистем механизированных комплексов и агрегатов. Снижение амплитуды колебаний момента и средней потребляемой мощности составило 21,4 - 24,2 %. Расхождение между результатами теоретических и стендовых исследований во всех сериях опытов не превышало 12,5 - 15 % [3].
Результаты шахтных исследований (лава 18 0150 168 пласта "Толмачевский" АО "Шахта им. С.М. Кирова" ОАО "Ленинскуголь", г. Ле-нинск-Кузнецкий Кемеровской обл.) свидетельствуют о том, что ЭМС насосной установки обеспечивает требуемые эксплуатационно-технические показатели, скорость крепления кровли и подвигания забоя возросла на 50 - 56 % за цикл; динамические нагрузки на валу электродвигателя снизились на 20 %; температура обмоток электродвигателя уменьшилась на 18,5 - 20 %.
Список литературы
1. Расчет и конструирование гидроприводов механизированных крепей / Ю.Ф. Пономаренко [и др.]; под общ. ред. Ю.Ф. Пономаренко. М.:
60
Машиностроение, 1981. 327 с.
2. Полукеева В. А. Определение оптимальных параметров электромеханических систем насосных станций выемочных комплексов и агрегатов: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.05.06, 05.09.0313: защищена 30.06.2000/ В.А Полукеева. Тула. 2000. 16 с.: ил. Библиогр.: с. 16.
3. Подколзин А. А., Полукеева В.А. Оптимизация электромеханической системы насосных агрегатов угледобывающих комплексов // Труды НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева. Серия: кибернетика, автоматизация, математика, информатизация: /ФГБОУ ВПО РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковский институт. Новомосковск, 2013, С. 21-27.
Подколзин Анатолий Алексеевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, apodkol-zin@,dialog. nirhtu. ru, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева
IMPROVING ELECTROMECHANICAL SYSTEMS PUMP INSTALLATIONS
COAL MINING COMPLEX
A.A. Podkolzin
Consider internal and external factors arising from the operations of the technological cycle of mining operations affecting the dynamic loading of the electromechanical system of the pumping unit, proposed solutions to improve the efficiency and reliability of the system through the use of the damping properties of electric drive.
Key words: coal mining complex, mechanized system, pump installation, dynamic disturbances, modeling, efficiency
Podkolzin Anatoly Alekseevich, doctor of technical science, professor, manager of department apodkolzinadialog. nirhtu. ru, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University
