CC BY
14
УДК: 62.83.52.0313
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ НА СКРЕБКОВОМ КОНВЕЙЕРЕ
Д.С. Овсянников
Исследуется метод численных расчетов распределения груза на скребковом конвейере с использованием программного моделирования скребкового конвейера в БтиПпк.
Ключевые слова: скребковый конвейер, моделирование, привод, тяговый орган, симуляция, математическая модель, распределение, груз.
Очистной комбайн, скребковый конвейер и гидравлические механизированные крепи являются тремя основными элементами электромеханического оборудования в составе механизированного комплекса угольной шахты. Их совместная непрерывная работа является ключевой гарантией успешной угледобычи, что непосредственно связано с производительностью, эффективностью и экономической выгодой.
Среди них скребковый конвейер (СК), работающий в тесной связке с очистным комбайном (ОК), является основным транспортным оборудованием шахты, обеспечивая транспортировку отбитого комбайном угля на магистральный ленточный конвейер [1].
При согласованной работе этих трех машин номинальная нагрузка СК, обычно, определяется по расчетной максимальной нагрузке, что приводит к значительному перерасходу электроэнергии. Кроме того, в реальных условиях эксплуатации скорости СК и ОК не скоординированы. В частности, скорость цепи СК не регулируется, за исключением режима двухступенчатого пуска конвейера, и остается постоянной, скорость ОК регулируется только в зависимости от крепости угля и породы, и от режима работы самого ОК.
В результате этого нагрузка на СК будет непрерывно изменяться в широком диапазоне, в зависимости от положения очистного комбайна, скорости его перемещения, направления движения и времени работы. Что может привести к перегрузкам скребковой цепи и, следовательно, явится причиной её разрушения. Все это снижает срок службы СК и эффективность угледобычи, а значит, приводит к дополнительному потреблению энергии [2].
Среди существующих статей, посвященных приводам СК, идет речь в основном о получении удовлетворительных динамических пусковых характеристик в условиях запуска с большой нагрузкой. Процессы изменения нагрузки вдоль СК в зависимости от режима работы ОК практически не рассмотрены в отечественной литературе. При этом, во всех работах в основу для моделирования тягового органа (ТО) принят метод конечных элементов на основе модели Кельвина - Фойгта в виде разбивки длины цепи конвейера на п сосредоточенных масс. ТО состоит из верхней - груженой ветви и нижней - холостой ветви, а электропривод СК конвейера является многодвигательным и включает головной и концевой приводы с соответствующими приводными звездами (рис.1).
(рзв! Лв1
Jm )*
ko X1 кто km » ¿H
Сто С то CTo
Сто Ct° Ся> Сю
p/VW-| - гчЛЛЛЛ—ti-||%ЛЛЛЛ-| -1 ÍWW-Л
Н д-Н[и. Н-qjiИ jjj ~ "««iН jjj-
Звсзда km х„ J-*" кТо ^ ^ | кто хк+1 | * кто Звезда головного хвостового
привода привода
Рис. 1. Структурная схема тягового органа скребкового конвейера
На рис. 1 приняты следующие обозначения: фзв, угол поворота приводной звездочки; .Лв - момент инерции приводной звездочки; п - число сосредоточенных масс тягового органа; сто, кто - соответственно коэффициенты жесткости и вязкости сосредоточенными массами тягового органа конвейера; Лзв - радиус приводной звезды конвейера; т¿, 7=1... п - 7 -я сосредоточенная масса ТО; к = п/2.
mt = mr + mT0,
где mто, mг - соответственно сосредоточенные масса цепи тягового органа и масса угля (груза), кг, находящаяся на верхней части конвейера.
Кроме того, при анализе динамики работы СК всеми авторами полагается, что нагрузка на груженой ветви СК распределена равномерно [3].
тг =
Lqr
n
mT0 =-
LqT
n
т ' *то
где L - длина конвейера, м; qr, qT0 - вес 1 м соответственно перемещаемого груза и тягового органа, кг/м; иг, nx - количество сосредоточенных масс на груженной и холостой ветви (пг = nx = и/2).
В действительности на распределение нагрузки на груженой ветви СК влияет положение ОК вдоль забоя, его скорость и направление движения вдоль СК (ОК движется с СК в одну сторону или в разные) [4].
Таким образом, в настоящее время недостаточно внимания уделяется факторам, определяющим величину и неравномерность загрузки СК, в первую очередь - неравномерности скорости подачи ОК. Следовательно, решение вопроса изменения загрузки СК в зависимости от скорости подачи ОК является актуальной научно-технической задачей
Цель работы - создание имитационной модели в Simulink, для численного исследования распределения нагрузки вдоль СК в зависимости от скорости подачи ОК.
Основное содержание. В статье исследуется новый, численный метод расчетов распределения нагрузки на СК с использованием имитационного массива, созданного в Matlab Function. Этот метод позволяет получить распределение нагрузки на СК в любой случайный момент времени, на любом участке длины конвейера, Полученные данные позволят уточнить такие динамические характеристики СК, как: изменение натяжения цепи и потребляемой мощности электродвигателя (ЭД).
В качестве примера был взят СК марки СП202М-55, параметры которого указаны в [5]. Длина конвейера 180 метров. Распределим нагрузку равномерно по всей длине конвейера, приняв, что на каждый метр длины приходится 64 элементарных участка Axi рис. 2. Итого получим 11520 элементов. Каждую ветвь выразим своим одномерным массивом: массив A - для гружёной ветви, B - для холостой ветви. В массиве A, i-й элемент соответствует нагрузке на СК в i-м участке.
Рис. 2. Схема совместной работы ОК и СК: 1 - перегружатель; 2 - скребковый конвейер;
3 - очистной комбайн; 4 - угольный пласт
Примем, что в первый момент времени конвейер не имел никакой загрузки, поэтому с помощью блока IC (Initial Condition) зададим нулевые массивы заданной размерности рис. 3. а. Для формирования импульса на единичный сдвиг массива, воспользуемся блоком интегратора с самосбросом - Discrete-Time Integrator рис. 3. б, на вход которого подаётся линейная скорость движения цепи, для данного конвейера номинальная скорость равна 1,12 м/с.
При расчете загруженности СК будем учитывать следующие факторы: место нахождение ОК вдоль забоя, направление его перемещения относительно перемещения цепи СК, величину скорости и производительности ОК. По аналогии с формированием импульса перемещения СК, воспользуемся тем же блоком для формирования импульса перемещения ОК, но сигнал этот подаётся на блок счётчика Counter, для сохранения в памяти местоположения ОК.
1,А) zero
£|] Btock Pjwncters: 1С Jniöal Condition Initial condition for signal.
*
|[геп«{1.А) геп»(1,В}]~
1С
Vse
Urut Delay
а б
Рис. 3. Задание начальной загрузки конвейера (а) и формирование импульса перемещения (б)
Теоретическая производительность ОК определяется по выражению [6]:
0ОК = 1000• Н • В-у КП,
где Н - вынимаемая мощность пласта, м; В - ширина захвата исполнительного органа комбайна, м; у - удельный вес отбитого угля, кг/м3; Уп - скорость подачи ОК, м/с.
Приняв в допущении, что 0ок зависит только от его скорости подачи, при неизменных остальных величинах, и проинтегрировав эту величину, получим массу угля, которую комбайн насыпает на конвейер рис. 4.
Discrtle-Time Integrator
Рис. 4. Моделирование перемещения и производительности ОК
Полученные значения, поступают в блокMatlab function рис. 5. а, в котором происходит суммирование массы угля, поступающей от ОК, с учётом его местоположения, и массы угля уже находящейся на конвейере в этом участке, с последующим сдвигом массива рис. 5. б. В скрипте принят режим совместной работы ОК и СК, когда комбайн движется от конца забоя к его началу (от хвостового привода конвейера к головному), как режим с наибольшей линейной загруженностью. При этом входной грузопоток угля, поступающего на конвейер равен [7]:
Уск - Vi,
где Qoк - производительность ОК, кг/с; Уск - скорость СК, м/с; Уп - скорость подачи ОК, м/с.
Для удобства анализа, выходной массив обратно преобразуется в размерность, равную длине конвейера, с помощью блока Matlab function2 и выполняемой в нём функции reshape. Также для подсчёта массы груза, находящегося на конвейере, используется блок Matrix Sum рис. 5. а.
Результаты моделирования. Моделировалось два варианта: 1) скорость подачи ОК принималась постоянной, соответственно и производительность ОК оставалась постоянной; 2) скорость подачи имела нелинейный характер, а комбайн работал с переменной производительностью, при этом, скорость конвейера оставалась постоянной. Время моделирования принято равным t = L/Уск = 180/1,12 = 165 с, где L длина СК, равная 180 м, Уск - скорость цепи СК, равная 1,12 м/с. За это время конвейер переместит груз от конца к началу забоя.
Sum МиИВПшИМ ^
а б
Рис. 5. Применение Matlab Function в Simulink (а) и скрипт блока Matlab Function (б)
Результаты моделирования представлены на рис. 6 и 7.
На рис. 6 представлен график распределения нагрузки на СК. Из анализа рис.6 следует, что при постоянной производительности ОК, нагрузка на СК распределяется равномерно по всей его длине, что является идеальным, а значит невозможным случаем. Также на рис. 6 видно, что последний участок ТО конвейера (примерно 5 м длины конвейера) имеет нулевую загрузку. Это вызвано тем, что за время t = 165 с, ОК переместился вдоль СК на некоторое расстояние ALok = Vnt = 0,033^165 = 5,4 м, где Vn -скорость подачи ОК, равная 0,033 м/с, и т.к. скорость СК больше скорости ОК, то весь участок ТО с загруженным углем обогнал сам комбайном.
70
ftO
50 «40
О О
§30 20 10 О
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Участок конвейера, м Рис. 6. Распределение нагрузки на конвейере
На рис. 7. а, показан график изменения производительности ОК, а на рис. 7. б, массы угля, находящейся на конвейере. Следует отметить, что производительность ОК может изменяться в широких пределах, при этом как в большую, так и в меньшую сторону от расчётного значения.
Т 4- •
tai
MATLAB funchcin?
^ " i
Tunction у = тсгца, я, sj, c=[zeros(l„11520) jerosU, 11520)]; c(l,11520-s3+54)-q42; а = circshift(e,-si); b-a+c;
---Qok = var -Qok = const
Л n Л. Л
1 1 í j Д i \ i i i \N ■ i? v V 'A' ,J i i и : *
¡ i ?■ У \ У i í у / V i, ! i IS 1 i к i\ a i ^ V' -ft Л * А \ \ \ П 1 V i i
г f;' t'Vj \ ]¡ и » t i
3..............Ё ki ■ ñí ¡ J 4
1 1 ч if *
70 60
CJ
Ъ 50
jT
ü
S 40
и
p
130
i 00
£ 20 с.
10
Г! '■ti a
: | : и Mu . № £ i ! ft:; > гЭД t "T
¡¡ ь í j ' i 4 ñ rj í I J¡- l h f Щ H >
p f\ * У i* \ m f[»
i \ f И Í í У í lto¡ yr!r )
щ Ц -
V Qok = const -—Qok = var
í . \ 1
20
40
60
120
140
160
80 100 Время, с
а
Рис. 7. Изменение производительности ОК (а) и массы угля на СК (б) (начало)
10000
8000
k 6000
А
и
У
S 4000 2000 О
О 20 40 60 SO 100 120 140 160
Время, с
б
Рис. 7. Изменение производительности ОК (а) и массы угля на СК (б) (окончание)
Выводы:
1. Разработана модель для исследования распределения нагрузки на СК, позволяющая учитывать такие параметры как: 1) скорость СК; 2) направление и скорость ОК, а также его положение в лаве; 3) Производительность ОК.
2. Оптимизация работы СК, с учётом адаптации скорости конвейера к величине и характеру изменения скорости комбайна, грузопотока и направления движения комбайна, может обеспечить существенное снижения удельного энергопотребления транспортирования угля в лаве. Скорость транспортировки перемещаемого угля существенно влияет на параметры распределения выходного грузопотока из забоя.
Список литературы
1. Yanping Wang, Shaoying Wang. Coordinated Speed Planning Strategy of Scraper Conveyor and Shearer Based on Scraper Conveyor Loads Analysis // IOP Conference Series. Earth and Environmental Science; Bristol, Vol. 267, Issue 4, (May 2019), P. 1-10. D0I:10.1088/1755-1315/267/4/042044.
2. Shi Z, Zhu Z 2017 Case study: Wear analysis of the middle plate of a heavy-load scraper conveyor chute under a range of operating conditions // Wear. Volumes 380-381, 15 June 2017, P. 3641.
3. Ещин Е.К. Теория предельных режимов работы горных машин, Томск: Изд-во Томского ун-та, 1995. 232 с.
4. The impact of an uneven loading of a belt conveyor on the loading of drive motors and energy consumption in transportation / Semenchenko A., Stadnik M., Belitsky P., Semenchenko D., Stepanenko O. // Eastern-European Journal of En-terprise Technologies. 2016. Vol. 4, Issue 1 (82). P. 42-51. doi: https://doi.org/ 10.15587/1729-4061.2016.75936
5. Шпрехер Д.М., Бабокин Г.И., Колесников Е.Б., Овсянников Д.С. Исследование неравномерности нагружения двухдвигательного частотно-регулируемого электропривода скребкового конвейера //Известия ВУЗов. Электромеханика. 2021, Том 64, № 4-5. С. 37-45.
6. Будишевский В.А., Сулимы А.А. Теоретические основы и расчёты транспорта энергоёмких производств, Донецк, 1999. 216 с.
7. Барышев А.И., Будишевский В.А. Расчёты и проектирование транспортных средств непрерывного действия, Донецк, 2017. 689 с.
Овсянников Дмитрий Сергеевич, магистрант, [email protected], Россия, г. Тула, Тульский государственный университет
MODELING LOAD DISTRIBUTION ON A SCRAPER COVEYOR
D.S. Ovsyannikov
A method of numerical calculations of the distribution of the load on the scraper conveyor is investigated using the software simulation of the scraper conveyor in Simulink.
Key words: scraper conveyor, simulation, drive, traction element, simulation, mathematical model, distribution, load.
Ovsyannikov Dmitry Sergeevich, undergraduate student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 629.488.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-440-445
УЧЁТ КОЛЁСНЫХ ПАР НА ПРЕДПРИЯТИЯХ РЕМОНТА ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ
А.В. Клюканов
Настоящая статья посвящена вопросам учёта и хранения колесных пар на предприятиях ремонта грузовых вагонов (на примере участка текущего отцепного ремонта). В работе выделены недостатки существующей технологии учёта и хранения колесных нар на участке текущего отцепочного ремонта грузовых вагонов. Предложена технология и средство радиочастотной идентификации колёсных пар для однозначного определения их уникальных параметров. Уточнена комплектация и технические характеристики считывателя электронных меток колесных пар.
Ключевые слова: колёсные пары, маркировка колёсных пар, визуализация объектов ремонта, радиочастотная идентификация, считыватель, ридер, радиочастотная метка, автоматизированный учёт.
В условиях эксплуатационных вагонных депо, на участках текущего отцепочного ремонта грузовых вагонов (ТОР), хранение колесных пар, требующих ремонта, как правило обезличено.
Из-за ограничения производственных площадей и непрерывного производственного процесса, хранение колёсных пар осуществляется без определения их по принадлежности и без выделения отдельных участков хранения для разных собственников. Такое хранение требует дополнительной проверки колесных пар, чтобы определить их принадлежность предприятию-собственнику. Часто на участке ТОР неисправные колёсные пары без учёта собственника хранятся в междупутье, как показано на рис.1 Принадлежность колёсной пары собственнику определяется визуально по номеру оси считываемой с бирки корпуса буксы.
Рис. 1. Хранение неисправных колёсных пар в междупутье
