CC BY
30
а.К. Малиновский
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА ОДНОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНОГО ТОРМОЗОВ ПРИ АВАРИЙНОЙ ОСТАНОВКЕ ШАХТНОЙ ПОДЪЁМНОЙ МАШИНЫ
Проведено исследование режима одновременного действия электрического и предохранительного (механического) тормозов при аварийной остановке шахтной подъёмной машины показавшее возможность дублирования предохранительного тормоза электрическим тормозом, повышение замедления и снижение пути торможения. Даны рекомендации по выбору оптимальных величин сопротивлений добавочных резисторов.
Ключевые слова: шахтный подъём, предохранительный тормоз, режим одновременного действия, электропривод.
~П работе [1] показано, что все существующие шахтные
-Ш-М подъёмные установки, работающие с коэффициентом
надёжности k = 3 механического тормоза, не могут обеспечить с.н
максимальное (допустимое) замедление А = 5 м/с2 при
доп(max)
подъёме груза и минимальное замедление А , . = 5 м/с2 при
доп^т)
спуске груза в связи с наличием времени холостого хода и экспоненциального закона изменения тормозного усилия механического тормоза. Это обстоятельство увеличивает путь торможения, а следовательно, время нахождения тормозных колодок в соприкосновении с ободом барабана, что увеличивает интенсивность их износа.
Кроме того, отсутствие дублирующего тормоза приводит при отказе предохранительного тормоза на шахтных подъёмных установках к тяжёлым последствиям. Поэтому из наиболее эффективных методов повышение надёжности шахтного подъёма является его резервирование. Из-за невозможности установки второго механического тормоза, прибегаем к электрическому тормозу, создаваемому электродвигателем, работающим в тормозном режиме [2].
Учитывая, что большинство электроприводов шахтных подъёмных машин оснащены электродвигателями переменного тока, то в качестве тормозного режима применяется режим динамического торможения (ДТ).
Несмотря на то, что режим динамического торможения существует на всех подъёмных установках, требующих отрицательного тормозного момента, реализация режима ДТ вступает в противоречие с существующими требованиями наличия блокировки, исключающей возможность одновременного действия предохранительного и электрического торможения.
Предпосылками, требующими наличия блокировки, исключающей возможность одновременного действия предохранительного механического и динамического торможения, являются следующее:
1. Недопустимость появления тормозного момента, превышающего расчётный момент, вследствие сложения усилий тормозных устройств с раздельными приводами (§ 470 Правил безопасности).
2. Опасность возникновения замедления предохранительного торможения более 5 м/с2 (§ 472 Правил безопасности).
Первая предпосылка, как и её основа (§ 472 Правил безопасности), несколько неопределённа. Параграф 470 Правил безопасности требует, чтобы расчётный тормозной момент М^м при торможении предохранительном торможении не превышал трёхкратной величины от статического момента М . С другой стороны, там же
c
указывается о недопустимости превышения расчётного тормозного момента, но значение величины его верхнего предела не оговаривается. Существующие методики расчёта момента М в технической литературе также не дают определённой ясности в этом вопросе.
Исследованиями величины коэффициента статической надёж-М „ .. ..
ности k = тм. max в аварийных режимах работы подъёмных с.н М
с
установок [3] установлено, что для торможения системы в случае обрыва каната необходимо, чтобы МТЛ >(3,928,97)• М .
T.M v ' c
Напрашивается вывод, что оговоренный § 470 ПБ верхней границей расчётного тормозного момента следует считать максимальный момент, определяемый агрегатной прочностью подъёмной установки.
Так как момент устанавливается обычно в пределах
М = (3,0 + 3,5) • M , а максимальный момент, создаваемый
т.м.max c
асинхронным двигателем, работающем в режиме динамического торможения, не превышает
М = 27 • М(22 • М ), то их сумма будет заведомо меньше
Д.Т ’ с ’ ном максимального момента, допустимого по прочности узлов подъёмной установки.
Следовательно, первая предпосылка не может оправдать наличие блокировки, исключающей возможность одновременного действия предохранительного механического и динамического торможения. Поэтому основанием для упомянутой блокировки может служить требование о недопущении замедлений более 5 м/с2.
Ограничения в отношении величины замедления подъёмных машин в Правилах безопасности появились давно и были вызваны, главным образом, низким качеством металла, из которого изготовляли механические узлы подъёмной установки. О необходимости пересмотра этих ограничений в технической литературе высказывались авторитетные учёные.
Величина замедления, полученная в результате совместного действия обеих тормозных систем, зависит от ряда факторов: динамических характеристик подъёмной установки, скорости движения подъёмной машины, при которой происходит срабатывание предохранительного тормоза и наложении динамического торможения, характеристики изменения тормозных моментов обеих систем во времени и пр.
Расчёты, выполненные для различных условий, показывают, что величины замедлений, возникающих в системе при совместном действии предохранительного и динамического торможения, не превышает величин, указанных в Правилах безопасности, либо незначительно отличаются от этих значений.
Режим одновременного действия (РОД) электрического и механического торможения представляет также большой интерес, ис-
ходя из соображений выравнивания усилий, действующих в системе при механическом торможении.
Принимая во внимание тяжёлые последствия, к которым приводит отказ предохранительного тормоза на шахтных подъёмных установках, а также то, автоматическое резервирование системы механического предохранительного тормоза системой динамического торможения значительно повышает надёжность установки, следует считать целесообразным проведение исследований режима одновременного действия обеих тормозных систем в самых различных условиях.
В результате таких исследований должны быть даны рекомендации о конкретных условиях, в которых такой режим является допустимым, а также о параметрах устройств динамического торможения.
Целью исследования РОД двух тормозов является установление влияния различных факторов и параметров подъёмной установки, предохранительного тормоза и устройства динамического торможения на протекание процесса торможения, определение величины и характера изменения ускорения в ходе предохранительного торможения ШПМ.
Кратко проанализируем возможные варианты осуществления РОД, исходя из изложенных выше соображений, не учитывая влияния упругости элементов.
Процесс динамического торможения асинхронной машины описывается следующей системой дифференциальных и алгебраических уравнений, записанных в форме удобной для математического моделирования на ЭВМ [2].
При исследовании РОД двух тормозов особое внимание уделялось таким показателям как: путь торможения ^;
число оборотов барабана пбТМ, находящегося под действием колодок предохранительного тормоза;
скорость У0 5, при которой начинается действие колодок предохранительного тормоза;
максимальное усилие FТ м тах воздействия тормозных колодок предохранительного тормоза на обод барабана;
время 1рм действия колодок предохранительного тормоза на обод барабана подъёмной машины;
величина ускорения аП при подъёме груза.
Величина скорости У05 влияет на величину кинетической
энергии А, запасаемой электромеханической системой ШПМ при движении и разряжаемой при торможении предохранительным тормозом.
Скорость У0 5, время tT м, усилие FТ м тах и число оборотов барабана пбТМ существенно влияют на износ тормозных колодок предохранительного тормоза и поэтому требуют их определения при аварийной остановке подъёмной машины.
Исследование РОД начинаем со схемы динамического торможения, в которой неуправляемый выпрямитель подключён непосредственно к обмоткам статора. Исследованию подвергался в первую очередь электрический двигатель. При такой схеме соединения ток статора определялся выпрямленным током ротора. Выпрямленный ток ротора, приведенный к переменному току статора, практически одинаков с током статора. А его величина всецело определяется активным сопротивлением обмоток статора, которое является значительным. Для рассматриваемой асинхронной машины, имеющей активное сопротивление фазы ротора г1 = 1,38 Ом, общее сопротивление обмоток статора составит Rc = 2,76 Ом, так как в режиме ДТ две обмотки статора соединены последовательно. Это обстоятельство привело к появлению значительно тока статора, который в 6,55 раз превышает номинальный ток и к незначительному току ротора, составляющему всего 0,671 от номинального тока ротора. Отсюда и незначительный тормозной момент АМ равный 0,713 от номинального момента.
Учитывая недопустимость такого тока статора, потребовалось его снижение за счёт включения последовательно обмоткам статора добавочного резистора Rд1 (рис. 1). Это наиболее простой способ снижения тока статора позволяет снизить его, но пропорционально с ним снижается и ток ротора, а следовательно, и момент АМ. Такой способ оказался малоэффективным.
Дальнейшее снижение тока статора можно достичь включением добавочного резистора Rд2 параллельно обмоткам статора.
По осциллограммам аварийной остановки ШПМ, снятых при различных сопротивлениях резистора Rд2, включённого параллельно обмоткам статора, построены зависимости тока
У,м!с Ьт,м
Рис. 1. График переходного процесса V, ас , hm, F'M = f(t) аварийной остановки ПШМ под действием только предохранителдьного тормоза ( Fmax =4,26 ,м!с )
т* т*
статора I и тока ротора 12 в относительных единицах от относительной величины сопротивлений R* (где R* = Яс/Яд2). Величина сопротивления Rд2 варьировалась от R^ = 2,76 Ом до R^ = 0,307 Ом. Обработка осциллограмм позволила построить зависимости I*, I2 = f(R ) (рис. 2), из которых следует:
- снижение величины сопротивления резистора Rд2 с Rд2 = 2,76 Ом до Rд2 = 2,76 Ом величина тока статора снижается с I* = 5,87 до I* 2,19, т.е. в 2,7 раз.
Рис. 2. Зависимости I*, 1*= Г (И*) при подъёме с разными Яд1
- ток ротора при этом сначала возрастает до величины I; = 3,69, а затем снижается до величины I*, = 2,18. Максимальное значение тока ротора приходится на случай, когда в цепь ротора параллельно обмоткам статора включался резистор с сопротивлением Rд2 = 0,46 Ом. Если за оптимальную величину тока ротора
принять область от Rд2 = 0,55 Ом до Rд2 = 0,394 Ом, когда ток ротора составляет величину, изменяющуюся от 12 = 3,545 до
Ґ2 = 3,19 , то величина тока статора будет изменяться от I* = 4,74 при сопротивлении Яд2 = 0,55 Ом до I* = 4,03 при сопротивлении Я 2 = 0,394 Ом.
д2 ’
8 10
Рис. 3. Зависимости її*, п^ІМ= f (Я*) при подъёме с разными Ії.д1
Рассмотрим, как сказывается РОД двух тормозов на других показателях аварийной остановки ШПМ. Путь торможения Ьт сначала снижается, а затем возрастает. Максимальное снижение пути
торможения лежит в диапазоне величины сопротивления добавочного резистора от Rд2 = 0,55 Ом до Rд2 = 0,46 Ом. В этом диапазоне сопротивлений путь торможения снижается на 42 % (рис. 3).
Рис. 4. Зависимости а^, У(*5) = Г (Я*) при подъёме с разнвми 11д1
Что же касается числа оборотов барабана пб Т М, находящегося под действием тормозных колодок, то его характер изменения повторяет предыдущий случай. Толька максимальное его снижение приходится на величину сопротивления Rд2 изменяющегося от
Rд2 = 0,69 Ом до Rд2 = 0,55 Ом и составляет это снижение 67% (рис. 3).
Не менее важными показателями являются: замедление аП, скорость У0 5, которую приобретает движущиеся подъёмные сосуды ШПМ в момент наложения предохранительного тормоза; время
^ м нахождения тормозных колодок в соприкосновении с ободом барабана, а также максимальное усилие FТ м тах колодок предохранительного тормоза.
Рис. 5. Зависимости Ртмшах, =ї(К*) при подъёме с разными Кд1
Максимальное снижение скорости У05 на 35% приходится на сопротивление резистора Rд2 = 0,55 Ом (рис. 4).
Увеличивается замедление аП в 1,4 раза, которое приходится на сопротивление резистора Rд2 = 0,55 Ом (рис.4)
Время ^м нахождения колодок предохранительного тормоза в соприкосновении с ободом барабана максимально снижается на 61% при сопротивлении резистора Rд2 = 0,394 Ом (рис. 5).
Такому же сопротивлению Яд2 = 0,394 Ом соответствует максимальное снижение величины максимального усилия FTMmax тормозных колодок, которое составляет 62% (рис.5).
Если исходить из максимальной величины тока ротора, то целесообразнее всего в цепь ротора параллельно обмоткам статора включать добавочный резистор с сопротивлением R = 0,46 Ом.
Возможно дальнейшее снижение тока, которое можно достичь одновременным включением добавочных резисторов как последовательно с обмотками статора ЯД1, так и параллельно им ЯД2 (рис. !).
На рис.2-5 приведены зависимости I*, 12 hT, п*бТМ, V0*5,
t*TM, аП, f* = f(R*) при различных значениях сопротивле-
т.м. max
ния добавочного резистора R^, которые варьировались от Rfl1 = 0,24 Ом до R^ = 1,24 Ом. Анализ этих зависимостей показывает, что, несмотря на одновременное снижение всех показателей, они остаются выше, чем в случае аварийного торможения только под действием предохранительного механического тормоза.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Малиновский А.К., Мазлум А.Т. К вопросу повышения эффективности аварийного торможения шахтных подъёмных машин М.: ГИАБ. Отдельный выпуск 8, 2009. Электрификация и энергосбережение. С.122-130.
2. Малиновский А.К., Мазлум А.Т. Исследование режима одновременного действия электрического и механического тормозов при аварийной остановке шахтной подъёмной машины. - М.: ГИАБ. Отдельный выпуск 8, 2009. Электрификация и энергосбережение. С.35-44.
3. Попович Н.Г. Динамические режимы автоматизированных подъёмных установок с асинхронным приводом. Киев.: Вища школа, 1982. - 212 с. Н5Ы=Д
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ ---------------------------------------
Малиновский А.К. - профессор кафедры ЭЭГП кандидат технических наук, профессор; Московский государственный горный университет, Moscow state mining university, Russia, [email protected]
