CC BY
20
© B.C. Вагин, 2012
B.C. Вагин
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИКИ ПЕРЕДВИЖНЫХ ПРОХОДЧЕСКИХ ПОДЪЕМНЫХ УСТАНОВОК ОСНАЩЕННЫХ ТИРИСТОРНЫМ ПОСТОЯННОГО ТОКА И ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДАМИ
Приведены результаты сравнительной оценки динамики передвижных проходческих подъемных установок с электромеханическим тиристорным приводом постоянного тока и безредукторным гидравлическим приводом. Ключевые слова: передвижная проходческая подъемная установка; тяговый орган; стальная лента; безредукторный гидравлический привод; тири-сторный привод постоянного тока.
Необходимость добычи полезных ископаемых залегающих на больших глубинах требует ввода в эксплуатацию новых шахт. В связи с этим вопросы строительства шахт приобретают особо важное значение.
Основное время в строительстве новых шахт занимает проходка вертикальных стволов. Современная проходка оборудуется крупными и сложными передвижными подъемными машинами, имеющими значительную массу и габариты, маневренность и управляемость которых в большой степени зависит от применяемого для подъемной установки привода. Использование стальной ленты взамен канатов [1] позволяет в несколько раз снизить массу и габариты подъемных машин, что существенно сказывается на конструктивном исполнении проходческих подъемных машин.
Упомянутое конструктивное решение по совершенствованию подъемных машин приводит к значительному уменьшению диаметра органа навивки и его ширины и существенному снижению массы вращающихся частей. Наряду с этим, в связи с увеличение концевой нагрузки, ростом глубины стволов возросло значение упругости головного каната (головных лент). На современных машинах для таких условий очень часто наблюдаются случаи колебания скорости во время разгона и замедления. Эти колебания скорости свидетельствуют о необходимости анализа работы машиныв переходных режимах и нуж-
даются в оценке установившихся взглядов на кинематику и динамику подъемных установок.
Темпы сооружения стволов зависят во многом не только от технического уровня оснащения проходки и степени механизации погрузки породы, но и от маневренности проходческого подъема.
Непрерывно меняющаяся высота подъема от минимальной — 10—20 м до максимальной, равной конечной глубине ствола 1500 и более метров, ограниченные размеры здания подъемной машины при расположении ее у ствола на строительной площадке, необходимость частых перебросок с одной проходки на другую, сложный повторно-кратковременный режим с частыми пусками, остановками и реверсированием, длительная работа на пониженных скоростях, переменные концевые нагрузки требуют от подъемного двигателя обеспечения устойчивой работы при различной величине движущих моментов. Кроме этого, необходимость частого спуска груза требует от привода проходческой машины возможности длительной работы при отрицательной величине движущих моментов, т.е. работы в режиме постоянного торможения.
Разработка и создание новых конструкций подъемных установок, а также совершенствование существующих теснейшим образом связано с выбором и разработкой для них рациональных систем приводов.
В настоящее время исключительное распространение в проходческом подъеме имеют асинхронные двигатели с фазным ротором, но они далеко не полностью удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к проходческим подъемным двигателям, так как не обеспечивают однозначности управления при пониженных скоростях и частота вращении ротора зависит от нагрузки при включении роторных сопротивлений.
При использовании в проходческом подъеме асинхронных двигателей с преобразователем частоты возникают большие трудности для осуществления электрического торможения с передачей энергии в сеть при спуске грузов. Это потребует установки в преобразователе автономного инвертора и обратимого выпрямителя, что значительно увеличивает стоимость преобразовательной установки и самого специального подъемного двигателя.
Наиболее подходящими, из электрических двигателей, к условиям управления проходческих подъемных машин являются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, обеспечивающие однозначность управления при большом диапазоне изменения скорости и нагрузки и дающие возможность осуществить режим торможения электрическим путем.
Альтернативой электрическому приводу постоянного тока (тиристорный преобразователь — двигатель) для проходческого подъема может быть другие системы привода, например гидравлический.
Одним из основных направлений научно-технического прогресса в машиностроении и его многочисленных отраслях является переход на гидравлический привод.
За сравнительно небольшой срок существования гидроприводы стали изделиями высоких технологий, объединяющими исключительные силовые и динамические качества гидравлики с постоянно расширяющимися возможностями микроэлектроники и комплексных систем регулирования.
Особое место среди регулируемых приводов занимает вы-сокомоментный безредукторный объемный гидропривод [2]. Положительные свойства гидравлического привода заключаются в следующем: малое скольжение и большая жесткость механической характеристики и, как следствие, стабильность скорости при изменении величины и знака нагрузки в расчетном режиме работы машины, большой коэффициент усиления по мощности, бесступенчатое регулирование скорости в широких пределах, высокий КПД при глубоком регулировании, простота реверсирования, малые габариты и масса, незначительный момент инерции ротора и, как следствие, отношение полезного крутящего момента к моменту инерции ротора на порядок больше, чем в электроприводе, большое быстродействие, высокая управляемость, возможность удобной компоновки узлов и способность предохранять систему от перегрузки, высокие демпфирующие свойства, возможность регулирования жесткости привода и частот собственных колебаний [2].
Выявленные очень важные свойства и положительные качества тиристорного привода постоянного тока и гидропривода могут быть реализованы в полной мере только при условии уяснения всех явлений, происходящих в электромеханической и гидромеханической системах проходческого подъема, выяв-
лении механизма формирования силовых нагрузок с учетом динамических особенностей взаимодействующих систем.
Уравнения движения электромеханического тиристорного привода постоянного тока подъемной установки с учетом индуктивности якорной цепи хорошо известны и в развернутом виде представлены в литературе [3].
Уравнения движения механической системы проходческого подъема описываются системой неоднородных уравнений 2-го порядка [4] с переменными коэффициентами.
Система дифференциальных уравнений проходческой подъемной установки с безредукторным гидроприводом представляет совокупность уравнений механической части подъема и нелинейных уравнений гидравлического привода [4].
Системы дифференциальных уравнений проходческого подъема с безредукторным объемным гидравлическим приводом и редукторными тиристорным приводом довольно сложны, имеют высокий порядок, решение и анализ которых возможен только с помощью прикладных программ на ЭВМ.
Для сопоставления динамики подъемных установок с электромеханическим тиристорным и безредукторным гидравлическим приводами системы дифференциальных уравнений [3,4] были подвергнуты численному интегрированию методом Рунге-Кутта.
Динамические процессы рассмотрены применительно к двухбарабанной подъемной установке 2Ц-1,2х0,8 для глубины проходки порядка 250 м, бадьи емкостью 1м3, оснащенных рассматриваемыми системами приводов. При этом основными элементами тиристорного привода принят электродвигатель ДП-52 и редуктор ЦДН 4—115—30. Для безредук-торного гидропривода — гидромоторы ДП-510И и насосы НП-120.
Большое практическое значение имеет вопрос определения максимальных усилий действующих на упругие элементы проходческой подъемной установки в переходных режимах разгона при подъеме с веса, когда под действием момента двигателя система подъема начинает движение с максимальным допустимым по правилам безопасности расчетным ускорением.
Динамические усилия в упругих элементах подъемной установки зависят не только от величины и характера движения концевого груза, но, в известной степени, и от характера де-
формаций при колебательных процессах самого тягового органа, масса которого соизмерима с массой груза.
Степень влияния подъемного двигателя на амплитуды динамических моментов, возникающих при вынужденных колебаниях, в значительной степени зависит от соотношения приведенных моментов инерции подъемной машины и двигателя. Динамические моменты во многих случаях для электромеханического привода могут достигать значительных величин.
Максимальные значения динамических нагрузок в электромеханических и гидромеханических системах передвижных проходческих подъемных установок и результаты расчета коэффициентов динамичности основных параметров приведены в табл. 1.
Характер изменения динамических усилий в упругих элементах для процесса разгона проходческих подъемных установок с тиристорным приводом постоянного тока и безредуктор-ным гидравлическим приводом показаны на рис. 1, 2.
Таблица 1
Максимальные значения основных параметров и коэффициентов динамичности подъемных установок с различными системами приводов
Наименование параметра Гидравлический Тиристорный
привод постоянного тока
Макси- Коэф- Макси- Коэф-
мальное фициет мальное фициет
значение динами чности значение динами чности
Натяжение грузовой ветви 51, 26,9 1,093 28,85 1,172
кН
Натяжение порожней ветви 52, 8,59 1,009 9,10 1,069
кН
Разность натяжений 51 - Б2, кН 19,0 1,179 21,60 1,342
Момент гидромотора МГМ, кН-м 13,1 1,424
Момент электродвигателя МЭд, 596 1,814
Н-м
Перепад давления Р1-Р2, МПа 11,6 1,355
Ток якоря /я, А 291 1,814
Угловая скорость органа навивки через 2 с, с-1 1,88 1,88
Рис. 1. Динамические характеристики разности натяжений ветвей тягового органа (Б1-Э2), угловой скорости органа навивки (ф 3) для подъемных установок с тиристорным приводом (ТП) и гидроприводом (ГП)
Рис. 2. Динамические характеристики натяжения тягового органа поднимающейся (Б1) и опускающейся (Б2) ветвей для подъемных установок с тиристорным приводом (ТП) и гидроприводом (ГП)
Сравнительный анализдинамических характеристик (рис. 1, 2,) и результаты расчетов коэффициентов динамичности (табл. 1) показывают, что динамические нагрузки передвижных проходческих подъемных установок с электромеханическим тиристорным приводом постоянного тока выше, чем с безредуктор-ным гидроприводом: на 7,24 % по натяжению в грузовой вет-
ви Sj; 7,33 % по натяжению порожней ветви S2; 13,77 % по разности натяжений ветвей тягового органа S1 - S2; 27,4 % по моменту на валу подъемного двигателя; 33,9 % по давлению и току двигателя.
Оценивая динамику передвижных проходческих подъемных установок оснащенных электромеханическим тиристор-ным приводом постоянного тока и безредукторным высоко-моментным гидравлическим приводом, следует отметить, что динамичность гидромеханической системы ниже электромеханической системы подъема. Снижение динамических нагрузок объясняется более высокими демпфирующими свойствами гидравлического привода и снижением приведенного момента инерции вращающихся частей безредукторного гидропривода в сравнении с редукторным тиристорным приводом постоянного тока.
Таким образом, для обеспечения одинаковой динамичности рассматриваемых систем необходимо увеличить грузоподъемность передвижной подъемной установки с безредукторным гидроприводом как минимум на 13,77 % без изменения продолжительности цикла подъема. Это обеспечит повышение производительно проходческого подъемного комплекса и приведет в конечном итоге к увеличению скорости проходки стволов и сокращению сроков строительства новых шахт.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Борохович А.И. и др. Грузоподъемные установки с ленточным тяговым органом. — Б83 М.: Машиностроение, 1980, — 191 с.
2. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода/ И.И. Бажин, Ю.Г. Беренгард, М.М. Гайцгори и др.: Под общ. Ред. С.А. Ермакова. М.: Машиностроение, 1988. 312 с.
3. Динкель А.Д., Католиков В.Е., Петренко В.И. и др. Тиристорный электропривод рудничного подъема. — М.: Недра, 1977. — 312 с.
4. Борохович А.И., Вагин В.С. Уравнения динамики передвижных проходческих подъемных установок с безредукторным гидроэлектроприводом. // Изв. вузов. Горный журнал. — 1989. — № 4. — С. 92—96. ВТШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Вагин В.С. — кандидат технических наук, профессор, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.
