CC BY
8
УДК 62.523
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-326-327
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ПЛАВНОГО ПУСКА ДВУХПРИВОДНОГО
СКРЕБКОВОГО КОНВЕЙЕРА
Д.С. Овсянников
Исследован алгоритм двухступенчатого плавного пуска скребкового конвейера. Установлена зависимость амплитуды максимального тягового усилия в цепи от коэффициента загрузки конвейера. Показано, что предложенный алгоритм может быть применён к многодвигательному частотно-регулируемому электроприводу скребкового конвейера. Приведены результаты компьютерного моделирования в режиме двухступенчатого пуска.
Ключевые слова: скребковый конвейер, моделирование, привод, тяговый орган, симуляция, математическая модель, броски пускового тока, тяговое усилие.
Введение. Угольная промышленность является опорной отраслью национальной экономики страны и играет важную роль в ее экономическом и социальном развитии. С развитием промышленных технологий потребление энергии будет постепенно увеличиваться, и можно прогнозировать, что уголь по-прежнему будет основным источником энергии страны в среднесрочной и долгосрочной перспективе [1].
Скребковый конвейер (СК) является одним из важнейших электромеханических объектов в составе горнодобывающего комплекса угольной шахты, который используется в качестве основного транспортного оборудования в угольном забое, перемещая отбитый очистным комбайном уголь на магистральный ленточный конвейер [2, 3].
С расширением добычи угля производственная мощность очистных комбайнов (ОК) постепенно увеличивается, и транспортная мощность СК также должна соответствовать производственной мощности ОК. Направление развития СК движется в сторону увеличения их мощности и протяженности. Длина СК для различных забоев изменяется от 200 до 500 м, а установленная мощность электропривода от 220 до 2000 кВт. [4].
Значительную долю рабочего цикла скребкового конвейера СК составляют режимы пуска и остановки, достигая до 150-300 раз в сутки [5]. Действие знакопеременных электромагнитных моментов, создаваемых пусковыми токами асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором, которыми оснащены скребковые конвейеры, негативным образом сказывается на ресурсе АД, элементах редуктора и тягового органа (ТО) СК, вызывая их усталостные повреждения, преждевременный износ и, в конечном итоге, приводит к отказам и простоям очистного механизированного комплекса (ОМК) [6].
Из-за наличия неопределенного количества груза (угля) на тяговом органе СК, предшествующего его остановке, повторный пуск может проходить как в холостом режиме, так и в режиме полной загрузки. Пуск с большой нагрузкой, когда статический момент сопротивления Мст=(0,8-1,2)-Мном считается «тяжелым» [7]. Кроме того, затрудняет процесс пуска значительная величина силы трения покоя.
Поэтому разработка стратегии плавного пуска СК, является актуальной научно-технической
задачей.
Анализ состояния вопроса. В современных СК, наибольшее распространение получили следующие методы плавного пуска: 1) использование управляемой трансмиссии CST; 2) внедрение частотно-регулируемого привода [8].
СST (Controlled Start Transmission - привод с регулируемым пуском) - это планетарный редуктор со встроенной многодисковой муфтой трения CST с бесступенчатым регулированием. Данный вид трансмиссии позволяет осуществить поочерёдный пуск двигателей СК без нагрузки, тем самым уменьшить влияние пускового тока на шахтную сеть, после этого прикладывается такое давление к каждой муфте, чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки между двигателями, тем самым использовать максимально доступный вращающий момент [9].
Применение частотно-регулируемого привода для скребковых конвейеров может обеспечить плавный пуск двигателя без нагрузки и при полной нагрузке. Существует несколько способов частотного пуска, но наибольшее распространение получил двухступенчатый «S» образный пуск [10-11], который и будет рассмотрен в данной статье.
Как правило, электропривод СК конвейера является многодвигательным и включает головной и концевой приводы, работающие на ведущие звездочки своих приводных барабанов. Головной и концевой приводы конвейера соединены бесконечной упругой тяговой цепью, к которой прикрепляются скребки, несущие груз [12].
Рассмотрим наиболее распространенный тип двухприводного скребкового конвейера, на примере СК марки "Анжера-30" [13] (макс. длина - 300 м, производительность - 600 т/ч, мощность привода 2^200 кВт, калибр цепи 30*108 мм). В качестве приводных ЭД применялись асинхронные взрывозащи-щённые двигатели (АД) марки DAMEL SG3 450 4/8 200 кВт. [14].
Кинематическая схема электромеханической системы такого конвейера имеет вид, представленный на рис. 1. Каждый двигатель головного (АД1) и хвостового (АД2) приводов получает питание от своего преобразователя частоты (ПЧ).
На рис. 1 приняты следующие обозначения: Зред и Зъъ -соответственно моменты инерции
ротора АД, редуктора и приводной звездочки; Сред, кред, c3B, к31
кто - соответственно коэффициенты
жесткости и вязкости связей между АД и редуктором, между редуктором и приводной звездочкой, между сосредоточенными массами тягового органа конвейера; Лзв - радиус приводной звезды конвейера; /ред - передаточное отношение редуктора; п - число сосредоточенных масс тягового органа; к = п/2.
т Ъуу\ т
1Лсл ДЪ Jал
Т АДГ
АД1
АД2
Cm
, брел ^
J\\ I г-^ In Jре
m i
)Пк
С..... /7777777 Cm,,
bum m„ bmo
C,„o /7777777 Cn
hm„ mt i Ък
Сто /7777777 Сто Сто /7777777 Сто
Звезда с „, /¿777777 Сто Сто /7777777 Сто Звезда
Рис. 1. Кинематическая схема двухприводного скребкового конвейера
В [15] было доказано, что наиболее оптимальной системой управления в многодвигательном частотно-регулируемом электроприводе СК является векторная система прямого управления моментом (DTC - Direct torque control), реализованная по принципу «ведущий ведомый» - рис. 2. При этом головной электродвигатель выбирается в качестве главного (ведущего) приводного двигателя (АД1), а (АД2) считается ведомым. Ведущий двигатель имеет регулятор скорости (РС) и контур регулирования крутящего момента с регулятором (РМ1), ведомый двигатель имеет только контур регулирования крутящего момента (РМ2), соответственно, все двигатели работают с одинаковым вращающим моментом, что обеспечивает равномерное распределение нагрузки между головным и хвостовым приводом СК.
Рис. 2. Схема управления по принципу «ведущий-ведомый»
Описание двухступенчатого частотного пуска. После предварительного намагничивания двигателя [16], происходит пуск на низкую скорость, равную обычно 10% от номинальной: V = 0,1 • У в течение некоторого времени, затем 2-х секундная работа на этой скорости (за это время должны пройти все переходные процессы в ТО) и дальнейшее увеличение скорости происходит по «5» образной форме [17]:
'2У.
V (t) =
T2
t
2 0 < t < T 2
(1)
4t 2t2 V(-1 + — - 2t2
e V t T
4 <t < t
где Уе = Уном — У0, скорость второй «ступени» м/с; T - время увеличения скорости с У0 до Уш При этом ускорение изменяется по треугольной форме:
с.
a(t) =
4Ve T
e t, 0 < t < —
T2
2
(2)
4У t Т ^ (1 — -), Т < t < Т
Т V т" 2
На рис. 3 приведены зависимости изменений токов электродвигателей головного (/¡¡дО и хвостового (Лдг) приводов и усилие натяжения цепи (Р) возле головной приводной звёздочки, при двухступенчатом пуске, для случая полной загрузки конвейера. Из графиков следует, что наибольшее значение
тока равно 1,35 о.е., которое меньше перегрузочной способности ПЧ. Также максимальное усилие в цепи достигает величины в 600 кН, что меньше допустимого значения по условию сохранения запаса прочности.
4 6 8 Ш 0 2 4 6 8 10
Время 1, с Время с
а б
Рис. 3. Кривые изменения усилия в цепи (а) и тока двигателя (б)
На рис. 4 представлен график изменения ускорения (а) и скорости (б) гружёной ветви конвейера, на нём видны характерные участки двухступенчатого пуска, с 2 с по 3 с, разгон и установление низкой (маневровой) скорости, и с 5 с по 9 с. разгон до номинальной скорости.
0.45 0.4 0.35 0.3
%
|0,25
X
К 0.2
о м
^ 0.15 0.1 0.05 0
-0.05
/
V
0
4 6 Время I, с
4 6
Время (5 с
а б
Рис. 4. График изменения ускорения (а) и скорости конвейера (б)
Изменение максимального тягового усилия в цепи в зависимости от коэффициента загрузки конвейера показан на рис 5.
г
кН
600
550 500 450 400 350 300
1; 600
0.8; 550
| 0.6; 4901
"[0.4; 434
- 0: .'!}.-• <¡¿^0.2; 366
0 0.2 0.4 0.6 0.8 т
Рис. 5. Зависимость максимального тягового усилия в цепи от коэффициента загрузки конвейера
328
Выводы.
1. Исследован алгоритм двухступенчатого пуска электропривода СК, заключающийся в применении векторной системы управления ведущий-ведомый, данный алгоритм обеспечивает максимальное быстродействие пуска и ограничение динамических нагрузок в элементах электропривода СК допустимыми значениями.
2. Установлены зависимости максимального тягового усилия в цепи от коэффициента загрузки конвейера для двухступенчатого «^»-образного пуска.
Список литературы
1. Распоряжение Правительства РФ от 13.06.2020 N 1582-р Об утверждении Программы развития угольной промышленности России на период до 2035 года. URL: http://www.consultant.ru/document/cons doc LAW 355241 (дата обращения: 15.07.2020)
2. He, B.Y., Sun, Y.H., Nie, R., et al.: 'Dynamic behavior analysis on the ringchain transmission system of an armoured face conveyor', J. Mech. Eng., 2012, 48, (17). P. 50-56.
3. Mao, J., Shi, J.G., Zhang, D.S., et al.: 'Dynamic modeling and simulation of heavy scraper conveyor', J. China Coal Soc., 2008, 33, (1). P. 103-106.
4. Meng, G.Y., Li, G.P., Wo, L., et al.: 'Intelligent key technologies of complete heavy scraper conveyor equipment', Coal Sci. Technol., 2014, 42, (9). P. 57-60.
5. Ещин Е.К. Теория предельных режимов работы горных машин, Томск: Изд-во Томского унта, 1995. 232 с.
6. Каширских В.Г., Переверзев С.С. Управление пуском одно-приводного скребкового конвейера // Вестник КузГТУ. 2005, №: 5, c. 79-82.
7. Малиновский А.К. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников. М: Недра, 1987. 277 с.
8. Wang Teng, Xia Huguo. Comparative analysis of driving modes of heavy-duty scraper conveyor [J]. Coal Science and Technology, 2013, 41(9): 154-158.
9. Zhang Gengyun, Liu Wei. Application of CST soft start technology on high-power scraper conveyor [J]. Coal Mining Machinery, 2012, 33(3): 208-210.
10. Zhang Chenggang. Application of AC frequency conversion speed regulation technology in driving system of scraper conveyor [J]. Coal Mining Machinery, 2011, 32(10): 209-210.
11. Zhang Gengyun. Comparative analysis of valve-controlled hydraulic coupling and frequency conversion speed regulation technology [J]. Coal Mining Machinery, 2015, 36(7): 14-16.
12. Ткаченко А.А., Осичев А.В. Анализ динамических процессов в двухпроводном скребковом конвейере СР72 в различных технологических режимах //Электротехнические и компьютерные системы. 2011. № 3(79). С. 182-184.
13. Ефимов В.И., Хмелинский А.А., Мефодьев С.Н. Современные подходы к компоновке оборудования для добычи угля на пологих пластах // Уголь. 2019. №6 (1119). С. 36-40
14. Explosion-proof two-speed motors DAMEL series SG3 450L-8/4 https://vecgroup.ru/equipment^catalog/elektrodvigatel-damel/vzrvvozashchishchennye-dvukhskorostnye-dvigateli-damel-serii-sg3-450l-8-4 (дата обращения: 14.05.2022).
15. Шпрехер Д.М., Овсянников Д.С. Разработка и исследование систем управления многодвигательным электроприводом шахтного скребкового конвейера // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 9. С. 524-530.
16. Браславский И.Я., Костылев А.В., Цибанов Д.В., Хабаров А.И. // Оптимизация пусковых процессов в асинхронном частотном электроприводе со скалярной САР // Вестник ЮУрГУ. 2013. Том 13 №2, С. 69-74.
17. Jianhua Ji, ChangyunMiao, Xianguo Li. Cosine-Trapezoidal Soft-Starting Control Strategy for a Belt Conveyor // Mathematical Problems in Engineering, 2019. P. 1 - 8.
Овсянников Дмитрий Сергеевич, аспирант, ovsyannikov_d_s@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шпрехер Дмитрий Маркович, д-р техн. наук, профессор, научный руководитель, shpreher-d@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
STUDY OF A TWO-STAGE SOFT START OF A TWO-DRIVE SCRAPER CONVEYOR
D.S. Ovsyannikov
An algorithm for a two-stage soft start of a scraper conveyor has been studied. The dependence of the amplitude of the maximum traction force in the chain on the load factor of the conveyor has been established. It is shown that the proposed algorithm can be applied to a multi-motor frequency-controlled electric drive of a scraper conveyor. The results of computer simulation in the two-stage start mode are presented.
329
Key words: scraper conveyor, simulation, drive, traction element, simulation, mathematical model, inrush current, traction force.
Ovsyannikov Dmitry Sergeevich, postgraduate, ovsyannikov_d_s@mail. ru, Russia, Tula, Tula State
University,
Shprekher Dmitry Markovich, doctor of technical science, professor, scientific director, shpreher-d@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-5-330-331
ОЦЕНИВАНИЕ РЕСУРСА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ СТАРТОВЫХ КОМПЛЕКСОВ С УЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ НАГРУЗОК
Л.К. Горшков, Е.Л. Лебедев, К.В. Румянцев
Показана особенность функционирования металлооблицовки газоходов стартовых комплексов ракет-носителей космического назначения (РКН), характеризующаяся возникновением и нарастанием во времени пластических деформаций в материале облицовки в условиях интенсивного нагрева при пуске ракеты. Количественная оценка пластических деформаций является важным элементов при определении остаточного ресурса газохода. Предложена модель, позволяющая оценивать интенсивность пластического деформирования элементов рассматриваемой конструкции с учётом изменения прочностных характеристик материала, плоского напряженного состояния, интенсивности напряжений при возникновении трещин.
Ключевые слова: стартовый комплекс, гозоход, термооблицовка, термоциклическая нагрузка, механическое стеснение, пластическая деформация, градиент температуры, тензор напряжений, тензор деформации, термоустойчивость, коэффициент интенсивности напряжений.
Надёжность и безопасность эксплуатации газоходов стартового комплекса, как и других крупных сооружений на индустриальных объектах (морских и речных портов, космодромов, испытательных полигонов и т.п.) является актуальной задачей. Особое внимания при этом следует обращать на действие термомеханических напряжений, вызывающих, как правило, интенсивное трещинообразование в облицовочных материалах сооружений различного назначения, в частности, газоходов стартовых комплексов космодромов.
Металлооблицовка газоходов стартового комплекса является одним из немногих элементов ракетно-космической техники, которые функционируют в условиях возникновения в их конструкционном материале пластических деформаций. Данный вид деформации (наряду с упругой деформацией) обусловлен, прежде всего, термическим нагружением конструкции газохода при пуске ракеты - носителя. При этом параметры тепловой нагрузки характеризуются следующими значениями: суммарный тепловой поток (конвективный и лучистый) достигает значения 1-4 МВт/м2, температура газового потока существенно выше температуры плавления конструкционного материала металлооблицовки, тепловое нагру-
йТ
жение начинается с теплового удара с градиентом температур — = 800-3500 К/с [1,2].
Общий график изменения температур наружной и внутренней сторон листа металлооблицовки стартового комплекса (СК) представлен на рис. 1, где наблюдается её неравномерный прогрев по толщине. В течение 8с внутренняя сторона листа металлооблицовки (сторона, на которую воздействуют продукты сгорания при пуске РКН) нагревается до температуры выше 1000 К, в то время как наружная сторона практически не начинает прогреваться. После пуска РКН (через 8 с) наблюдается остывание внутренней стороны листа металлооблицовки и начинается прогрев ее наружной стороны за счет теплового потока от горячей (внутренней) стороны.После 80 с времени остывания температура листа по всей его толщине выравнивается, и общий уровень температур медленно снижается. Расчеты показывают, что интенсивность остывания по мере снижения градиента температур между воздухом и облицовкой газохода замедляется. Полное выравнивание температур наступает примерно через 15^17 ч.
Необходимо при этом отметить, что в результате неравномерного прогрева листа металлооб-лицовки при пуске РКН наблюдается термостеснение ее внутренних (горячих) и внешних (холодных) слоев: внутренние слои при нагреве и терморасширении испытывают сжимающие механические нагрузки, а наружные слои подвергаются растягивающим нагрузкам от действия «расшияющихся» внутренних слоев. Кроме того, по причине высокой температуры нагрева внутренних слоев возможно снижение значения предела текучести (а02) материалов наружного слоя облицовки (повышение их пластичности), что, в свою очередь, может привести к интенсификации пластического деформирования внутренней (горячей) стороны листа (рис.2).
