CC BY
14
17. Haifeng Wang, Yaqun He, ChenlongDuan, Yuemin Zhao, Youjun Tao, Cuiling Ye. Development of Mineral Processing Engineering in China University of Mining and Technology // Advances in Computer Science and Engineering. AISC 141.Springer-Verlag, Berlin Heidelberg. 2012. p.77-83.
18. Sinclair L., Thompson J. In situ leaching of copper: Challenges and future prospectives // Hydrometallurgy. 2015. T.157. R. 306-324.
19. Kaplunov D.R., Rylnikova MV, Radchenko D.N. Expansion of raw material base of mining enterprises on the basis of integrated use of mineral resources of deposits // Mining magazine. 2013. No. 12. S. 29-33
20. Shelkunova T.G. Economic rationale for the development of zabalansnyh ores // Sb. Scientific works of post-graduate students, applicants and professors of the Faculty of Economics "Modern problems of market reforming of the economy". Vladikavkaz 2005. p. 45-52.
УДК 62-83(621.3.016.1:621.3.016.352):622.062
МОДЕРНИЗАЦИЯ МЕТОДА ДЛЯ РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОГО МОМЕНТА ДВИГАТЕЛЯ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА
А.Б. Жабин, Ан.В. Поляков, А.Е. Аверин, Ал.В. Поляков
Силовой расчет исполнительных органов проходческих комбайнов связан с определением их эксплуатационной нагруженности. Кратко изложена и проанализирована методика расчета устойчивого момента приводного двигателя - важного этапом силового расчета комбайнов. Представлены полученные эмпирические зависимости для определения поправочных коэффициентов и пригодных для компьютерного использования. Приведено сопоставление и показана адекватность полученных выражений.
Ключевые слова: проходческий комбайн, устойчивый момент, электродвигатель, проектирование, модернизация метода, оцифрование метода.
Введение
Проектирование горных машин, и в частности проходческих комбайнов, представляет собой сложный и многоэтапный процесс. Для успешного решения инженерных задач в рамках этого процесса необходимо использование зарекомендовавших себя подходов, алгоритмов, опыта и знаний. При этом основной тенденцией в проектировании горной техники является применение методов компьютерного расчета и моделирования [13]. Использование компьютерных технологий при обосновании параметров и режимов работы комбайнов позволяет принципиально исключить множество погрешностей при расчетах. Однако это также требует пересмотра устоявшихся, можно сказать «классических», принципов проектирования, и в некоторых случаях даже разработки новых методик [4].
Результаты исследований
В связи с возрастанием интенсивности рабочих процессов и мощности горных машин [1, 4] важной задачей является корректное определение устойчивых режимов работы их электродвигателей [5, 6]. В сложившейся практике [7, 8] проектирования проходческих комбайнов для этого используют устойчивый момент. Под устойчивым моментом понимают наибольшее среднее значение крутящего момента, который может развить данный двигатель с заданной вероятностью работы без опрокидывания при определенной конструкции исполнительного органа, в определенных условиях питания электроэнергией и конкретных горно-геологических условиях [9, с. 271].
Устойчивый момент асинхронного электродвигателя, приведенный к исполнительному органу, Муст, Н-м, определяется по формуле
_ МК ■ КСМ ■и
М
уст
1 2 , (1) 1 + 2 ■
где МК - максимальный момент, развиваемый электродвигателем, принимается по каталогу, Н-м; КСМ - коэффициент, учитывающий влияние шахтной сети; vдв - коэффициент вариации нагрузки двигателя; и - передаточное число редуктора.
Коэффициент КСМ определяется по графику (рис. 1) в зависимости от сопротивления сетиК, питающей двигатель, и отношения V номинальных мощностей двигателя Ыдв и трансформатора Ытр.
0,9 0.8 0,7 0,6 0,5
\(1.4\
\.т\
0,1
0,2
0,3 Я, Ом
Рис. 1. График для определения коэффициента КСМ
Передаточное число редуктора и принимается в соответствии с кинематической схемой привода.
Коэффициент вариации нагрузки двигателя vдв определяется по формуле
^дв1 + Лв 2 + ^ ,
(2)
где vдв1 - коэффициент вариации, отражающий изменчивость нагрузки двигателя, обусловленную типом и конструктивными особенностями исполнительного органа и механизма подачи; vдв2 - коэффициент вариации,
отражающим изменчивость момента двигателя вследствие изменения нагрузок на резцах исполнительного органа, обусловленного механизмом разрушения породного массива режущим инструментом.
Коэффициент вариации удв1для продольно-осевых коронок принимается равным коэффициентевариации, отражающему изменчивость нагрузки в трансмиссии, обусловленную типом и конструктивными особенностями исполнительного органа и механизма подачи у1 [7], а для поперечно-осевых вычисляется по зависимости
удв1 = ^ук.м + (КП • УКЯ )2 + —2 (К%т ' КУст дв -1) , (3)
где Укм - коэффициент вариации момента сопротивления на коронке, отражающий ее тип и конструктивные особенности; КП - коэффициент, отражающий влияние неравномерности усилия подачи на коронке на вариацию нагрузок в трансмиссии и принимается равным 0,8; УКК -коэффициент вариации усилия подачи на коронке, отражающий ее тип и конструктивные особенности; А - средняя амплитуда высокочастотной детерминированной составляющей момента сопротивления на коронке, обусловленной входом в контакт (выходом из контакта) с разрушаемым массивом отдельных резцов (групп резцов); — - среднее значение момента на коронке за оборот для рассматриваемого варианта расчета; Куст - коэффициент усиления, равный значению амплитудно-частотной характеристики системы «исполнительный орган - трансмиссия»; Куст дв - коэффициент, учитывающий усиление высокочастотной детерминированной составляющей нагрузки на коронке динамической системой двигателя и определяется по формуле
Куст дв = „ , (4)
1
1-
Л
2
дв
2 г2 + 4. " ^дв 2
^0 дв
где w - преобладающая круговая частота колебаний детерминированной составляющей нагрузки на коронке, вызываемых входом в контакт (выходом из контакта) с разрушаемым массивом отдельных резцов (групп резцов), рад/с; w0дв - собственная частота двигателя, рад/с; £дв - относительное демпфирование в двигателе.
Собственная частота двигателя w0дв определяется по формуле
Щ дв =
2 • мк• Ксм • Хр • и2
, (5)
I.
дв
где Ир - число пар полюсов двигателя; 1дв - момент инерции двигателя,
Н-м2.
Относительное демпфирование в двигателе £дв определяется по формуле
• Kcs • ^с
(6)
2 ■ дв
где 8к - величина критического скольжения двигателя, принимается по каталогу; Кс8 - коэффициент, учитывающий влияние шахтной сети; - круговая частота сети, рад/с.
Коэффициент Ксз определяется по графику (рис. 2) в зависимости от сопротивления сети Я, питающей двигатель, и отношения V номинальных мощностей двигателя М()/: и трансформатора Ытр.
к.
К .Ом
Рис. 2. График для определения коэффициента Кс
Коэффициент вариации удв2 определяется по формуле
аМ дв
удв 2 =■
М
(7)
где аМдв - среднее квадратическое отклонение момента двигателя, обусловленное изменчивостью нагрузок на резцах, Н- м.
Среднее квадратическое отклонение момента двигателя аМдв вычисляется по выражению
-1 и
°м = А N X Вдв у,
(8)
где Одв1- - дисперсия момента двигателя в у-м положении коронки, обуслов-
22
ленная изменчивостью нагрузок на резцах, Н -м .
Дисперсия момента двигателя Бдву определяется по формуле
п■
В.
дв ■
1=1
°2у ■ Г
) ■ КТу ■ КТдв 1
(9)
где КТдду - коэффициент, учитывающий трансформацию динамической системой двигателя случайной составляющей нагрузки на коронке в ее у-м положении от 1-го резца.
Коэффициент КТдд у вычисляется по выражению
^о дв (2-%дв ■ ^о дв+а)
К
Тдв у
2 ■
£дв (^о дв+2 ■ 4дв ■ ^о дв ■ а+а2
(10)
у "у
Описанный метод расчета устойчивого момента двигателя проходческого комбайна хорошо зарекомендовал себя и используется в актуальной версии отраслевого стандарта [7]. Выражения (1) - (10) позволяют вычислять значения практически всех необходимых для расчета величин. Исключение составляют коэффициенты КСМ и КС8, которые определяются по графикам на рисунках 1 и 2 соответственно. Однако такой способ определения величин является труднореализуемым для компьютерных расчетов, требуя внесения значений указанных коэффициентов вручную оператором после ручного же их определения по графикам. В связи с чем есть необходимость в изыскании способа сделать определение коэффициентов КСМ и КС8 пригодным для автоматических компьютерных вычислений без вмешательства оператора.
Для решения поставленной задачи аппроксимируем графики на рисунках 1 и 2.
Графики на рисунке 1 можно описать выражениями вида
Кем _ а ■ Я + Ь , (11)
где а - константа при переменной Я; Ь - свободный член линейного уравнения.
Составим табл. 1, показывающую взаимосвязь показателя Vc коэффициентами а и ь.
Представленные в табл. 1 взаимосвязи можно описать формулами
а _ -1,0759 ■V -0,4696; (12)
Ь _ -0,2535 ■V + 1,0271. (13)
Таблица 1
Зависимость параметров а и Ь от отношения V номинальных мощностей двигателя Мде и трансформатора Мтр
V 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
а -0,6321 -0,7286 -0,7786 -0,8107 -0,9125 -1,1071 -1,3036 -1,3571
Ь 1,0054 0,9866 0,9518 0,9116 0,883 0,878 0,8607 0,8268
Тогда с учетом выражений (12) и (13) уравнение для определения величины Кем (11) примет следующий вид:
Кем = 1,0271 - (1,0759 ■ V + 0,4696) ■ Я - 0,2535 ■ V. (14)
Графики на рис. 2 можно описать выражениями вида
КС5 = с ■ Я + а, (15)
где с - константа при переменной Я; а - свободный член линейного уравнения.
Составим табл. 2, показывающую взаимосвязь показателя Vc коэффициентами с и а.
Таблица 2
Зависимость параметров с и й от отношения V номинальных мощностей двигателя Мдв и трансформатора Мтр
V 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
с -0,3261 -0,3429 -0,3665 -0,4177 -0,466 -0,5015 -0,5064 -0,6
а 0,9493 0,9302 0,9135 0,9011 0,8895 0,8749 0,8543 0,8519
Представленные в табл. 2 взаимосвязи можно описать формулами
с = -0,3795 ■V-0,2701; (16)
а = -0,1415 ■V + 0,9593. (17)
Тогда с учетом выражений (16) и (17) уравнение для определения величины Кем (15) примет следующий вид:
Кс, = 0,9593 - 0,1415 ■ V - (0,3795 ■ V + 0,2701) ■ Я. (18)
Проверку адекватности полученных выражений произведем путем сравнения значений величин коэффициентов Кем и Кс8, полученных традиционным способом (по графикам) и при помощи выражений (14) и (18). Результаты сравнения отражены в табл. 3.
Из табл. 3 видно, что значения коэффициентов Кем и Ксз в исходном и модернизированном методах довольно близки, что свидетельствует о возможности практического применения последнего. Кроме того, стоит отметить, что в третьем столбце табл. 3 для некоторых значений V (а именно 0,35 и 0,65) графики на рис. 1 и 2 отсутствуют. То есть фактически при определении коэффициентов Кем и Ксз для «нестандартных» значений V в исходном методе приходиться принимать решения «на глазок». Более того, как видно по последней строчке в четвертом столбце, в некоторых случаях рассматриваемые коэффициенты в исходном методе получить вообще невозможно. В то же время при использовании модернизированного метода таких проблем не возникает.
Таблица 3
Результаты сравнения значений коэффициентов КСМ и Ксх в исходном _и модернизированном методе_
Вариант R, V Исходный метод Модернизированный метод
Ом Кем Kcs Кем Kcs
1 0,2 0,840 0,860 0,839 0,862
2 0,35 0,760 0,810 0,769 0,829
3 0,2 0,5 0,695 0,805 0,699 0,797
4 0,65 0,620 0,765 0,629 0,764
5 0,8 0,550 0,740 0,558 0,731
6 0,2 0,800 0,850 0,805 0,845
7 0,35 0,715 0,810 0,727 0,809
8 0,25 0,5 0,645 0,780 0,648 0,774
9 0,65 0,575 0,745 0,570 0,738
10 0,8 0,490 0,710 0,491 0,703
11 0,2 0,770 0,830 0,771 0,827
12 0,35 0,685 0,79 0,685 0,789
13 0,3 0,5 0,600 0,755 0,598 0,751
14 0,65 0,510 0,715 0,512 0,712
15 0,8 - 0,68 0,425 0,674
Заключение
Таким образом, модернизированный метод вычисления устойчивого момента двигателя проходческого комбайна позволяет упростить расчеты с использованием компьютерных программ для проектирования горных машин путем автоматизации вычисления некоторых коэффициентов, в настоящее время определяемых в ручном режиме по графикам. Более того, точное определение этих коэффициентов в модернизированном методе возможно для более широкого спектра исходных расчетных параметров.
Список литературы
1. Жабин А.Б., Поляков Ан.В., Поляков Ал.В. Обоснование режимных параметров и эксплуатационных показателей проходческо-очистного комбайна «Урал-360» //Горный журнал. 2017. № 4. С. 79-83.
2. Su O., Akcin N. A. Numerical simulation of rock cutting using the discrete element method //International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2011. Т. 48. № 3. С. 434-442.
3. Rojek J. Discrete element modelling of rock cutting //Computer Methods in Materials Science. 2007. Т. 7. № 2. С. 224-230.
4. О расчетной схеме для определения устойчивости проходческого комбайна /А.Б.Жабин, А.В.Поляков, Т.В.Ковалева, Е.А.Аверин //Горное оборудование и электромеханика. 2018. № 2. С. 46-49.
5. Гринберг Я.П., Соловьев В.С. К вопросу о характеристиках привода исполнительных органов угольных комбайнов //Горное оборудование и электромеханика. 2014. № 9. С. 12-16.
6. Фащиленко В.Н., Решетняк С.Н. Энергоэффективный резонансный режим электромеханических систем органов резания горных машин на базе современных структур управления //Горное оборудование и электромеханика. 2016. № 4. С. 41-45.
7. ОСТ 12.44.197-81 Комбайны проходческие со стреловидным исполнительным органом. Расчет эксплуатационной нагруженности трансмиссии исполнительного органа. М.: Минуглепром СССР, 1981. -48 с.
8. NonlinearDynamicsAnaly sisonTransverseCuttingHeadsofRoadheader /X. Li, Y. Lv, Q. Zeng, J. Wang //Journal of Computational and Theoretical Na-noscience. 2016. Т. 13. № 4. С. 2467-2474.
9. Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов /Н.М. Качурин, В. А. Бреннер, А.Б. Жа-бин, М.М. Щеголевский, И.Г. Лавит // М.: Изд-во МГГУ, 2003. 293 с.
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., zhabin.tula@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Поляков Андрей Вячеславович, д-р техн. наук, проф., polyakoff-an@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Аверин Евгений Анатольевич, канд. техн. наук, инженер-конструктор, evgeniy. averin.90@mail.ru, Россия, Тула, ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод»,
Поляков Алексей Вячеславович, канд. техн. наук, инженер-эксперт, polyakoff-al@mail.ru, Россия, Москва, ООО «Экспертиза промышленной безопасности.
MODERNIZING METHOD OF CALCULATING ELECTROMOTOR STABLE MOMENT
FOR A DEVELOPMENT MACHINE
A.B. Zhabin, An. Polyakov, A.E. Averin, A.V. Polyakov
The power calculation of the executive bodies of tunneling combines is connected with the determination of their operational loading. The technique of calculating the steady torque of the drive motor is briefly described and analyzed. This is an important step in the power calculation of combines. The obtained empirical dependences for determination of correction factors and suitable for computer using are presented. A comparison is made and the adequacy of the obtained expressions is shown.
Keywords: tunneling combine, stable torque, electric motor, design, method modernization, method digitization.
Zhabin Aleksandr Borisovich, Doctor of Technical Science, Professor, zhahin.tula a mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Polyakov Andrey Vyacheslavovich, Doctor of Technical Science, Professor, polyakoff -an@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Averin Evgeniy Anatolievich, candidate of technical science, engineer-designer, ev-geniy.averin.90@mail.ru, Russia, Tula, LLC "Skyratovsky Experimental Plant",
Polyakov Aleksey Vyacheslavovich, candidate of technical science, engineer- expert, polyakoff-al@,mail.ru, Russia, Moscow, LLC «Industrial safety examination»
CUMMERNIZATION OF THE METHOD FOR CALCULATION OF THE SUSTAINABLE MOMENT OF THE PASSENGER COMBINE MOTOR
Reference
1. Zhabin A.B., Polyakov A.V., Polyakov A.V. Justification of the regime parameters and operational parameters of the Ural-360 propeller-treatment combine // Mountain Magazine. 2017. No. 4. S. 79-83.
2. O., Akcin NA, Numerical simulation of rock cutting using the discrete element method // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2011. T. 48. No. 3. S. 434-442.
3. Rojek J. Discrete element of modeling of rock cutting // Computer Methods in Materials Science. 2007. T. 7. No. 2. S. 224-230.
4. On the design scheme for determining the stability of a propeller combine / A. B. Zhabin, A. V. Polyakov, T. V. Kovalev, E. A. Averin // Mining equipment and electrome-chanics. 2018. No. 2. S. 46-49.
5. Grinberg Ya.P., Solov'ev V.C On the question of the characteristics of the drive of the executive bodies of coal combines // Mining equipment and electro mechanics. 2014. No. 9. S. 12-16
6. Faschilenko VN, Reshetnyak SN Energy-efficient resonance regime of electromechanical systems of cutting machines of mining machines on the basis of modern control structures // Mining equipment and electromechanics. 2016. No. 4. S. 41-45.
7. OST 12.44.197-81 Propeller combines with a slave executive body. Calculation of the operating load of the transmission of the executive body. M .: Minugleprom of the USSR, 1981. -48 p.
8. NonlinearDynamicsAnalysisonTransverseCuttingHeadsofRoadheader / X. Li, Y. Lv, Q. Zeng, J. Wang // Journal of Computational and Theoretical Na-Nursing. 2016. T. 13. No. 4. S. 2467-2474.
9. Calculation and design of hydromechanical executive bodies of propelled combines /N.M. Kachurin, V.A. Brenner, AB Zhabin, MM Shchegolevsky, IG Lavit // M .: Izd-o MGGU, 2003. 293 p.
