CC BY
39
© B.C. Вагин, А.И. Курочкин, 2012
УЛК 622.676-82
B.C. Вагин, А.И. Курочкин
ДИНАМИКА ОДНОКОНЦЕВОГО ПРОХОДЧЕСКОГО ПОДЪЕМА
Представлены результаты оценки динамики передвижной проходческой подъемной установки оснащенной безредукторным гидравлическим приводом. Ключевые слова: одноконцевой проходческий подъем, уравнения динамики, динамические параметры, безредукторный гидравлический привод.
Л ля ускорения проходки стволов строящихся шахт решающее значение имеет выбор рационального типа горнопроходческого оборудования.
Одним из эффективных путей решения этой важнейшей задачи является оснащение проходки комплексом передвижного оборудования с гидравлическим приводом.
Использование в настоящее время для проходки одноканатных передвижных подъемных машин типа МПП способствовало снижению трудоемкости по их монтажу более чем в 10-15 раз в сравнении со стационарными подъемными машинами.
Вместе с тем значение проходческого подъема несоизмеримо возросло, во-первых, из-за увеличения глубины проходки стволов, во-вторых, из-за повышения темпов строительства шахт в целом. Особенно это стало ощущаться с увеличением мощности шахт и необходимости вскрытия месторождений залегающих на больших глубинах.
В настоящее время наибольшее распространение при проходке стволов получили подъемные машины, работающие в одноконцевом режиме. Обычно каждый ствол обслуживают две такие машины. Двухконцевые машины используются несколько реже, так как выигрыш в производительности при замене одноконцевой на двухконцевую машину составляет порядка 30—45 %.
В связи с сокращением сроков строительства шахт и ростом темпов проходки стволов появилась необходимость значительно увеличить концевую нагрузку.
С увеличением глубины стволов, концевой нагрузки и одновременным снижением массы вращающихся частей передвижных подъемных машин переменная составляющая динамических усилий, возникающая из-за упругих свойств каната, стала оказывать значительное влияние на величину колебаний скорости во время разгона, замедления и предохранительного торможения. В настоящее время уже невозможно правильно выполнять расчет основных параметров движения машины и настройку режимов ее работы без учета упругих свойств головных тяговых органов [2].
Как показали исследования, во время любого переходного процесса, связанного со значительным изменением усилий, приложенных к головному тяговому органу, возникают колебания подъемных сосудов (бадьи). Их амплитуда при прочих равных условиях прямо пропорциональна величине прилагаемого усилия и скорости его изменения. Для подъемных установок с асинхронным приводом скорость изменения усилий, возникающих от асинхронных двигателей с фазным ротором при переключении роторных сопротивлений, в боль-
Рис. 1. Гидравлическая схема безредукториого гидропривода проходческого подъема
шинстве случаев можно считать прикладываемых мгновенно. Частота колебаний бадьи будет зависеть от соотношения величины масс концевых нагрузок, головных тяговых органов и вращающихся частей, приведенных к органу навивки подъемной машины.
В стационарных подъемных машинах отношение массы концевой нагрузки к вращающимся массам обычно не превышает 10-15 %, поэтому возникающие динамические усилия, вызванные колебаниями сосудов, практически не оказывают влияния на изменения скорости машины.
В одноканатных передвижных проходческих подъемных машинах типа МПП отношение массы концевой нагрузки к вращающимся массам обычно достигают значение 2025 %, и в период разгона при работе асинхронного двигателя на первых четырех ступенях роторного сопротивления отчетливо наблюдаются колебания скорости. Экспериментальные исследования [2] свидетельствуют, что иногда двойной размах колебаний подъемного сосуда достигает 0,6-0,8 м. Это дает приращение скорости 1,0-1,5 м/с, что может вызвать ложное срабатывание ограничителя скорости. Кроме того колебания подъемного сосуда в конечном итоге приводят к вибрациям передвижной подъемной машины, последние передаются на редукторный асинхронный привод, расположенный на отдельной раме не связанной с рамой подъемной машины и закрепленной на отдельном, своем фундаментном блоке. Возникновение вибраций для передвижных проходческих подъемных машин вызывается неудовлетворительной работой конструкции рам для установки подъемной машины и асинхронного привода. Рамы этих машин размещены на разных фундаментных блоках, имеют малую жесткость, вследствие отсутствия внутренней заливки полостей бетоном.
Коренное техническое перевооружение и совершенствование передвижных проходческих подъемных машин теснейшим образом связано с созданием и разработкой рациональных для них типов систем приводов.
Рис. 2. Приведеииая эквивалеитиая схема одиокои-цевой проходческой подъемиой устаиовки с безре-дукториым гидравлическим приводом
О ОЛ 0.8 1,2 1,6 I с Рис. 3. Характер изменения динамических параметров при подъеме бадьи в процессе запуска одно-концевой проходческой подъемной установки: (Рх -
Р2) — перепад давления в гидросистеме; Vg — скорость бадьи процессе разгона; М34 — упругий момент в вало-проводе подъемной машины; у — угол поворота управляющего устройства насоса
Применение безредук-торного высокомоментного гидропривода значительно повышает степень технического совершенства передвижных проходческих подъемных установок, снижая массу, габариты и повышая их надежность [3].
Однако получить полное представление о характере существенных изменений в работе передвижной проходческой подъемной установки МПП оснащенной безре-дукторным гидравлическим приводом можно только на основании решения уравнений динамики описывающих движение подъемной системы.
Для этого рассмотрим схему одноконцевой проходческой подъемной установки оснащенной машиной МПП-4 с безредук-торным гидравлическим приводом (рис. 1), состоящим из гидромотора ГМ, связанного зубчатой муфтой с органом навивки подъемной машины ПМ, регулируемого насоса Н, приводимого во вращение асинхронным двигателем АД, двух гидролиний напорной и сливной, двух предохранительных клапанов ПК 1 и ПК 2 и системы подпитки, включающей подпиточный насос НП, два обратных клапана ОК 1, ОК 2 и предохранительный - ПК 3.
Приведенная эквивалентная схема [1] одноконцевой подъемной установки с гидравлическим приводом показана на рис. 2.
В соответствие с эквивалентной схемой (рис. 2) уравнения динамики одно-канатной подъемной установки МПП с безредукторным гидравлическим приводом [3] запишутся в следующем виде:
31ф 1 + С12 (Фх Ф2) = Мэл ^);
ОЛ 0.8 1.2 1.6 %с
Рис. 4. Характер изменения динамических параметров при подъеме бадьи в процессе запуска одноконцевой проходческой подъемной установки: —
подача рабочей жидкости на гидромотор; ф 3 — угловая
скорость гидромотора; Мэд— момент на валу электродвигателя насоса; Мгм— момент на валу гидромотора
?4 - С„(рв - 4- + + - ^ I(¡о. - А +
т
- ^ - - сл - я
РСТ5
-7» *
К
1 -
•я
тД
«а*'
и4!
где ^ J4 — момент инерции дискретных масс соответственно ротора,
электродвигателя, насоса, гидромотора, органа навивки; рг, (р21 р3, (р4 - их углы поворота; Сг2,С34, — коэффициенты крутильных жесткостей упругих связей между ротором электродвигателя и насосом и между гидродвигателем и органом навивки; - концевая нагрузка на канат; - переменная длина отвеса каната; Ь01 - начальная длина отвеса каната; Кп - радиус навивки каната на барабан; д - погонный вес каната; д - ускорение свободного падения; МэД, Мн, Мгм, — электромагнитный момент электродвигателя, моменты насоса и гидромотора; Фг - неизвестная функция времени для абсолютного удлинения сечений стального каната; а — коэффициент, характеризующий степень затухания динамических усилий в канате вследствие наличия вязкого внутреннего трения [3]; Е - модуль упругости стального каната; Р - площадь поперечного сечения каната; Кн - коэффициент удельной производительности насоса; у— угол поворота управляющего устройства насоса; Рг и Р2 - давление в напорной и сливной гидролиниях; цгм - удельный расход гидромотора; су, сп- коэффициенты утечек и перетечек гидросистемы; к13, к23, — гидравлические податливости напорной и сливной гидромагистралей; fнН эк, {гм эк - коэффициенты эквивалентного демпфирования насоса и гидромотора; гкл - удельный расход через обратный подпорный клапан; ОпН - производительность подпи-точного насоса; Рнкё - давление настройки подпорного клапана; Тэ - электромагнитная постоянная времени; V— коэффициент крутизны статической характеристики электродвигателя; со0 - синхронная угловая скорость электродвигателя.
Представленная система уравнений (1) одноконцевого подъема описывает движение гидромеханической системы подъемной установки с безре-дукторным гидравлическим приводом и позволяет исследовать динамические процессы гидромеханической системы с канатным тяговым органом.
Динамические процессы рассмотрены применительно к передвижной проходческой подъемной машине МПП-4 оснащенной безредукторным гидравлическим приводом, включающим высокомоментный гидравлический двигатель МР-16 насос НАС-450/32 и электродвигатель насоса 4А 355 6У3. Необходимость таких исследований связана с одной стороны, с особенностью конструкции передвижных проходческих подъемных машин, а с другой стороны, со сложностью происходящих в этих машинах динамических процессов. В связи с этим при использовании безредукторного гидравлического привода в передвижных проходческих подъемных установках должна быть выявлена рациональная динамика переходных процессов, обеспечивающая наименьшие коэффициенты динамичности основных определяющих параметров работы подъемной установки.
Наибольший интерес представляет переходный процесс режима разгона при подъеме бадьи с веса, когда под действием момента подъемного гидродвигателя система подъема начинает движение с максимальным допустимым по правилам безопасности расчетным ускорением.
Полученная система уравнений (1) была подвергнута численному интегрированию методом Рунге - Кутта с помощью ЭВМ. На основании статического расчета удалось определить численные значения величин, характеризующих исходные параметры гидромеханической системы проходческого подъема. В результате этого установлены следующие исходные параметры для динамического расчета: Ji=1,33 кг-м2; J2=0,82 кг-м2; J3=34,9 кг-м2; J4=2800 кг-м2; Qi=26300 Н; q=11,l Н/м; Ci2=1,9-105 Н-м/рад-Сз4=29,1-10б Н-м/рад; «=20000 Н-с; 1oi=50—500 м; Яп=0,8 м; £=14-1010 Н/м2; F=1,4-10-4 м2; EF=19,6106 Н; Ê„=4,18-10-6 м3/рад град; 4ЭК=0,826 Н-м-с/рад; /гмэк=291,8 Н-м-с/рад; q™=2,55-10-3 м /рад; Сп=2,9210-11м5/Н-с; Су=4,21-10-1111м5/Н-с; Êi3=0 914-10-11м5/Н; Ê25=0 914-10-11м5/Н; 0)0=104,1 рад/с; 7>0,153 с; v=0,914-10-5 1/Н-м; j=0—28,31 град; Ê=4,88 град/с; Yo=2,46 град; Q„„=0,9-10-3 м3/с; Р„кл=1,0-10б Н/м2; rK=1,16-10-9 м5/Н-с; g=9,81 м/с2.
Характер изменения динамических параметров в процессе разгона од-ноконцевой подъемной установки для высоты подъема 500 м показаны на рис. 3-4.
Максимальные значения динамических параметров в гидромеханической системе передвижной проходческой подъемной установки и результаты расчета коэффициентов динамичности приведены в табл. 1.
Анализ динамических процессов происходящих в переходном режиме разгона подъемной установки (рис. 3—4) свидетельствует о том, что они имеют колебательный характер. Наибольшее значение динамические параметры достигают в первый полупериод нарастания усилий в подъемном канате.
В начальный полупериод нарастания усилий в подъемном канате наблюдается относительно небольшое колебание скорости бадьи, угловой скорости органа навивки и вала гидромотора вызванного упругими колебаниями груженой бадьи. Эти колебания являются следствием высокой Таблица 1
Максимальные значения динамических параметров и коэффициенты динамичности гидромеханической системы в переходном режиме разгона подъемной установки
№ Наименование и обозна- Численное значение Коэффициент
чение параметра Минимум Максимум В статике динамичности
1 Давление в напорной магистрали, Р^ МПа 9,14 17,61 11,36 1,55
2 Давление в сливной магистрали, Р2, МПа 0,30 0,524 0,5 1,048
3 Перепад давления в гидромоторе, Р1-Р2, МПа 9,055 17,13 11,06 1,55
4 Усилие в канате, кН 29,13 37,60 33,17 1,13
5 Момент гидромотора, Мгм кН*м 22,81 43,56 26,54 1,64
6 Момент электродвигателя насоса, Мэд, кН*м 75,9 943,1 Через 2с
7 Упругий момент в вало-проводе подъемной машины, М34, кН*м 23,81 43,39 26,54 1,63
8 Угловая скорость гидромотора через 2с, ф с-1 0 2,32
9 Скорость бадьи через 2с, У6 , м/с 0 1,86
10 Угол наклона рукоятки 4,2 14,06
управления, у, град 5,9*10-3
11 Количество жидкости подаваемой на гидромотор, Qн, м3/с 0
12 Угловая скорость барабана, ф 4 , с-1 0 2,32
13 Расход утечек, Qv , м3/с 0,375*10-3 0,8*10-3 0,49*10-3 1,63
14 Расход перетечек жидко- 0,275*10 0,5*10-3 0,317*10-3 1,58
сти, Qп , м3/с -3 6,0*10-3
15 Количество жидкости, проходящей через гидромотор, Qгм , м3/с 1,4*10-3
16 Мощность на валу барабана, N , кВт 0 59,89
17 Мощность на валу электродвигателя, , кВт 7,94 97,79
упругости ветви подъемного каната при высоте подъема 500 м. а также следствием значительного
уменьшения суммарного приведенного момента инерции подъемной установки с безредукторным гидроприводом. Но тем не менее амплитуды эти колебания на порядок меньше чем это имеет место в подъемных установках с асинхронным редукторным приводом [2] и не могут вызвать ложных срабатываний ограничителя скорости подъемной машины.
Коэффициент динамичности по натяжению в канате снижается до значения 1,13. Снижение коэффициентов динамичности наблюдается и в других упругих элементах подъемной установки.
Таким образом, применение безредукторного гидропривода приводит к значительному уменьшению динамических усилий и моментов в упругих элементах при переходных режимах разгона машины, а также снижению амплитуды колебаний подъемного сосуда и колебаний скорости подъемной машины
Следовательно, на основе безредукторного гидравлического привода решается проблема создания современных малогабаритных передвижных проходческих подъемных машин.
Уменьшение динамических нагрузок на канатный тяговый орган и другие упругие элементы подъемной установки объясняется высокими демпфирующими свойствами гидравлического привода и значительным снижением суммарного момента инерции вращающихся частей подъемной установки при использовании безредукторного гидропривода в сравнении с электрическим редукторным приводом.
Динамический расчет нагрузок в упругих элементах проходческих подъемных установок с безредукторньм гидравлическим приводом позволяет определить пригодность и целесообразность системы привода и установить рациональные режимы работы проходческого подъема на стадии проектирования.
Снижение максимальных значений нарастаний динамических нагрузок в упругих элементах проходческих подъемных установок с гидравлическим приводом может осуществляться простыми средствами: изменением удельных утечек, жесткости гидролиний, демпфирования за счет насоса и гидромотора и моментов инерции органов навивки подъемных машин.
1. Давыдов Б.Л., Скородумов Б. А. Статика и динамика машин в типичных режимах эксплуатации. - М.: Машиностроение, 1967.
2. Федоров М.М. Шахтные подъемные установки. - М.: Недра, 1979. - 309 с.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Борохович А.И., Вагин B.C. Уравнения динамики передвижных проходческих подъемных установок с безредукторным гидроэлектроприводом. // Изв. вузов. Горный журнал. - 1989. — № 4. - С. 92-96. 53S
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Вагин B.C. — профессор, кандидат технических наук, Курочкин А.И. — магистр,
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, mgtu@magtu.ru
