CC BY
6
© B.C. Вагин, 2013
УДК 622.676-82 B.C. Вагин
ДИНАМИКА ПРОХОДЧЕСКОЙ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВОКИ С БЕЗРЕДУКТОРНЫМ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
Выполнен анализ динамических нагрузок возникающих в упругих элементах проходческой подъемной установке оснащенной безредукторным гидравлическим приводом при неустановшихся режимах работы.
Ключевые слова: проходческая подъемная установка; безредукторный гидравлический привод; электромеханический асинхронныйй привод.
И* настоящее время при проходке стволов строящейся шахты применя-ШЭ ются передвижные подъемные машины типа МПП, имеющие максимальную унификацию, почти полную заводскую готовность к эксплуатации, оснащенные редукторным асинхронным приводом с фазным ротором, который имеет большие габариты и значительную массу.
Вследствие расположения подъемной машины и привода на отдельных фундаментных блоках при работе этих машин, возникают постоянные вибрации подъемной установки, возбуждаемые колебаниями подъемных сосудов подвешенных на упругом канате, который испытывает значительную переменную продольную деформацию в переходных режимах работы проходческого подъема. Следовательно, применение электромеханического привода в передвижных, компактных проходческих подъемных машинах снижает степень их совершенства и надежность не обеспечивает снижение массы и габаритов вызывает вибрацию элементов проходческого подъемного комплекса.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом проводятся работы по совершенствованию привода горных машин на основе применения объемных гидропередач. Для передвижных проходческих подъемных машин наибольший интерес представляет высокомоментный безредукторный гидропривод, позволяющий снизить в значительной степени массу и габариты подъемных машин, обеспечить бесступенчатое регулирование скорости в широких пределах, высокий КПД при глубоком регулировании, быстродействие и демпфирование. Однако значительное снижение массы вращающихся частей подъемной установки, увеличение глубины проходки, концевой нагрузки, повышение упругости тягового органа, сложный кинематический режим требуют пересмотра установившегося взгляда на динамику малогабаритных передвижных проходческих подъемных установок.
Положительные качества безредукторного гидропривода могут быть реализованы в полной мере только при условии уяснения всех явлений, происходящих в гидромеханической системе проходческого подъема, выявлении механизма формирования силовых нагрузок с учетом динамических особенностей взаимодействующих систем. Исходя из конструктивных особенностей
Рис. 1. Приведенная эквивалентная схема подъемной установки с гидравлическим приводом
и физических свойств реальной системы, двухбарабанная передвижная проходческая подъемная установка (рис.1) представляется в виде единой гидромеханической системы, состоящей из дискретных масс электродвигателя насоса, гидромотора, органов навивки, концевых грузов, соединенных между собой упругими связями и тяговыми органами переменной длины.
Динамические свойства подъемной установки с безредукторным гидроприводом в соответствии с эквивалентной схемой (рис. 1) описываются следующей системой уравнений:
Ji Ф1 + Ci2 (1 -Ф2 ) = МэД (;
•• •
J2 Ф2 - C12 (ф - Ф2 ) = - КнУ(Р1 - Р2 )- fu3K Ф2;
J3 Фз + C34 (фз - Ф4 ) = Ям (1 - Р2 ) - 4эк Фз;
J4 Ф4 - C34 (Фз - Ф4 ) + C45 (Ф4 - Фб ) + Q1Rn + ~ R Ф4 + ~ Ф4 Ô1 -
g g
- Qg (1 Ф4 Rn) Rn Ô + я(о1 Ф4 Rn) Rn + gR (1,1 -Ф4^П)ф4+
+ qRn2 (1,1 ^Rn) Ô --2-Rn(1,1 Ф4R7)2 Ô = -М1 (t(; g 2 g
Фб - С45 (Ф4 -Фб )- — К0 + Фб + — Фб Ф2 +
д д
+—( +Фб^)) Ф2-?(4 +Фб^)) + !(4 +Фб^)Фб+
+^К2 (/02 +ФбК0)Фб ^2+2дК (402 + ФбК)2 ¿2 = М ((;
дд(401 -Ф4
—1 +| (4 -Ф4 К))
Ф -1
д
— + | (4 -Ф4К)
д-1 д| -Ф4 К)
—1 + | (4 -Ф4К) —1 + |(4 -Ф4К)
Нп Ф4 =
+ а ^ Ф1 - ЕГФ^
- (4 +ФбК>) д
—2 + "д (4 +ФбК>)
ф+-
—2 + 2 (4о2 +ФбК>)
—2 + 2 (4 +ФбК>)
1
д-^ФбК> д
—2 + % (4 +ФбК>)
л; Ф2 у - с; (р - р2) - - ягм Фз - 2^13 р = 0;
. . . и
-кн Ф2 у + с; (р - р) - су/2 + ягм Фз - 2Л2з Р =
К Фб =
+ а ¡> Ф2 - ЕФ2;
0 ЛР///2 > Р;
г/ - 0/7; ;ри р, < Р;
М = —
эд р
®0 -Ф1
- М
где (рп, ]п () = 12,...,5) — абсолютные углы закручивания и моменты инерции дискретных масс, соответственно, ротора электродвигателя, насоса, гидромотора и органов навивки грузовой и порожняковой ветвей; 012, 034, 045 — угловые жесткости упругих связей между ротором электродвигателя и насосом, между гидродвигателем и органом навивки и между органами навивки; 02, д — концевые грузы грузовой и порожняковой
ветвей и погонная сила тяжести тягового органа; МЭД, МН,М1М,М1,М2 — моменты, соответственно электродвигателя, насоса, гиромотора и тормозов органов навивки; Яп, Яо, g — радиусы навивки поднимающейся и опускающейся ветвей тягового органов и ускорение свободного падения; 11,12 и 101,102 — переменные и начальные длины отвесов тяговых органов грузовой и порожняковой ветвей; Ф1, Ф2 — неизвестные функции времени для абсолютного удлинения сечений тяговых органов [2]; Е, Е,а— модуль упругости, площадь сечения и коэффициент затухания динамических усилий тягового органа; Ф0,У, Тэ — синхронная угловая скорость, коэф-
фициент крутизны статической характеристики и электромагнитная постоянная поля двигателя; кн, ^ эк ,У— коэффициент удельной подачи, обобщенного эквивалентного демпфирования насоса и угол поворота управляющего элемента насоса, являющегося функцией времени; рх, р2 — давления в напорной и сливной гидролиниях; сп, су — коэффициенты перетечек и утечек системы привода; д1М, {шэк — удельный расход и коэффициент эквивалентного демпфирования гидромотора; к13, к23 — гидравлические податливости напорной и сливной гидролиний; 0)п н, рн кл, Гкл — подача
подпиточного насоса, давление и удельный расход подпорного клапана системы подпитки.
Представленная система уравнений устанавливает связь между гидравлическими, механическими и электрическими параметрами передвижной проходческой подъемной установки с безредукторным гидроприводом и определяет зависимость между положением вала органа навивки подъемной машины с изменением координаты управляющего элемента привода и моментом нагрузки от поднимаемого груза.
Динамические процессы рассмотрены применительно к двухбарабанной подъемной машине 2Ц-12х08 оснащенной безредукторным гидроприводом, включающим два электродвигателя двух насосов НП 120 и два гидромотора ДП 510И.
Система уравнений, описывающая динамику подъемной установки, была подвергнута численному интегрированию. Численные значения величин, характеризующие исходные параметры системы, следующие: ]х = 15кг-м2
]г = 08кг-м2; ]ъ = 25кг-м2; J4 = J5 = 500кг-м2; С12 = 3-105 Н-м/рад С34 = 20-106 И-м/рад; 01 = 22 710 Н; 02 = 8 340 Н; я = 692 Н/м а = 0 - 150 000 Н-с; 10г = 25 м; 101 = 250 - 1 500 м; Яп = 06 м; Яа = 066 - 183 м
Е = 206-1 010 Н/м2; Р = 09-10-4м2; Кн = 01-10-5 м3/(рад-град); /'НЭК = 70-10-3 Н-м-с/рад, Ягм = 1 146 м3/рад; 1:М1ЭК = 300Н-м-с/рад; Сп = 15-10-11м5/(Н-с); Су = 15-10-11м5/(Н-с); К13 = К23 = 05-10-12 м5/Н; = 157рад/с; Тэ = 004;
и = 05-10-4 1/(Н-м); у = 0 - 26град; к = 387град/с; Т = 0 - 3 с; Р™ = 06-10-3-м 3/с; Рнкл = 03-106 Н/м2, Гкл = 2-10-9 м 5/(Нс).
Характер изменения динамических нагрузок в некоторых упругих элементах в процессе разгона подъемной установки показан на рис 2.
Анализ динамических характеристик показывает, что динамические нагрузки в упругих элементах гидромеханической системы проходческого подъема проявляются в виде затухающих колебаний, основной тон которых близок к частотам свободных колебаний концевых грузов, определяется упруго-вязкими свойствами тягового органа, конструктивными и динамическими параметрами подъемных машин и компактного безредукторного гидравлического привода.
Рис. 2. Динамические характеристики натяжений тяговых органов порожняковой ветви 32, разности натяжений грузовой и порожняковой ветвей З1 — 32 и скоростей движения поднимающегося сосуда УП и опускающегося сосуда У
Исследованиями, при решении уравнений динамики, установлено, что амплитуды динамических нагрузок в период разгона системы подъема превышают номинальные для установившихся режимов работы подъемной установки по разности давлений в гидролиниях р1 - рг в 1 355 раза, по натяжению в грузовой ветви 51 — в 1 093 раза, по натяжению в порожняковой ветви Бг — в 109 раза, по разности натяжений ветвей 51 - Бг — в 1 176 раза, по моменту на валу гидромотора М1М — в 1 424 раза.
Это свидетельствует о значительном снижении за счет высокого демпфирования гидропривода коэффициентов динамичности нагрузок в упругих элементах подъемных установок, оснащенных безредукторным гидравлическим приводом в сравнении с установками, имеющими электромеханический привод, у которых аналогичные коэффициенты динамичности имеют значения 15—2 [1]. Таким образом, применение безредукторного гидропривода в передвижных проходческих подъемных машинах не только снижает массу и габариты подъемной установки, но и способствует снижению динамической нагру-женности элементов проходческого подъемного комплекса.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электрооборудование шахтных подъ- 2. Савин Г.Н., Горошко O.A. Динамика
емных машин / Калашников Ю.Т., Католи- нити переменной длины. — Киев: Изд-во
ков В.Е., Шпильберг Г.И. и др. — М.: Не- дН усСР, 1982. — 332 с. ЕШ дра, 1986. — 285 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
ВагинВладимир Сергеевич — кандидат технических наук, профессор, kad-55@magtu.ru, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.
