CC BY
124
Shprekher Dmitry Markovich, candidate of technical science, docent, shpreher-d@yandex.ru, Russia, Novomoskovsk, Russian Chemical-technological University (Novomoskovsk branch of) them. D.I. Mendeleev
УДК 519.1: 621
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПОДЗЕМНЫХ ГОРНЫХ МАШИН
Г.И. Бабокин, Д.М. Шпрехер
Разработана классификация параметров контроля работоспособности электромеханических систем (ЭМС). Предложены критерии оценки динамичности параметров, определяющие их принадлежность к той или иной группе признаков. Установлены параметры контроля работоспособности основных элементов ЭМС подземных горных машин в соответствии с предложенной классификацией.
Ключевые слова: электромеханическая система, контроль работоспособности, критерий динамичности.
Электромеханическая система (ЭМС) подземных горных машин, основной из которых является механизированный комплекс (МК), является сложной системой, так как состоит из взаимосвязанных ЭМС отдельных машин: механизированной крепи, очистного комбайна, скребкового конвейера и перегружателя и маслостанции, имеющими автономные и общую системы управления комплексом.
При этом ЭМС механизированного комплекса эксплуатируется в тяжелых условиях внешней среды (повышенная влажность, запыленность, наличие агрессивных жидкостей и т.д.) и подвергается воздействию резкопеременных рабочих нагрузок на исполнительные органы отдельных машин, часто вызывающих внезапные отказы элементов ЭМС. В таких условиях при эксплуатации ЭМС необходим постоянный контроль ее работоспособности, который включает контроль правильности функционирования ЭМС и контроль исправности элементов составляющих ЭМС.
При контроле работоспособности и исправности ЭМС важное значение имеет анализ структуры ЭМС и обоснование параметров контроля.
В последние пять лет в России на пластах мощностью 1,6-4,5 м применяются механизированные комплексы с крепями 1М144К, М138/4, 3М138, М138/2, М138/4, 2УКП-5, КМ700/800, МКЮ.4-11/32 и отечественными комбайнами К-500Ю, К-500,1КШЭ.У, на которые приходится 6065% добываемого угля. С теми же крепями применяются комбайны ведущих западных фирм: KSW-460, KSW-500, KGS-245, KGS-345, KGS-460,
156
К0Б-600, ЕБ’^300/600, МВ12-2. На пластах мощностью 1,4-1, 8 м применяются комплексы с крепями 3М138И, 3КД90Т и комбайнами Украины РКУ-10, 1ГШ68 [1].
Анализ ЭМС всех машин МК позволил выявить общие узлы и особенности каждой ЭМС по функциональному признаку и с точки зрения установления параметров, необходимых для контроля работоспособности ЭМС комплекса.
На рисунке в качестве примера приведена функциональная схема ЭМС очистного комбайна.
Функциональная схема ЭМС очистного комбайна; = канал передачи механической энергии; — канал передачи электрической энергии; -* канал передачи информации
Очистной комбайн включает следующие функциональные узлы: исполнительные органы (ИО1, ИО2) привода резания (шнеки, оснащенные резцами); ИО3, ИО4 привода подачи (движители системы подачи); редукторы приводов резания (Р1, Р2) и подачи (Р3,Р4); электродвигатели приводов резания (ЭД1,ЭД2) и подачи (ЭД3,ЭД4), маслостанции (ЭД5); систему электроснабжения (трансформатор Т) с коммутирующими элементами (ЭК); гидравлическую систему комбайна (подача масла в редуктора и воды для орошения и охлаждения ЭД); систему управления (СУ ОК). Привод подачи комбайна является регулируемым: системы «преобразователь частоты (ПЧ) - асинхронные ЭД» или «управляемый выпрямитель (УВ) -двигатели постоянного тока».
Аналогичный анализ функциональных схем ЭМС МК - скребкового конвейера и перегружателя, механизированной крепи с маслостанцией и
157
электрогидравлической системой управления, позволил классифицировать основные узлы ЭМС МК по однотипным параметрам для контроля исправности элементов на пять частей: механическую, электрическую, гидравлическую, исполнительных органов систему управления.
Указанные части ЭМС и входящие в них узлы требуют для контроля исправности ЭМС измерения одних и тех же физических параметров, представленных в таблице.
Контроль параметров ЭМС для оценки работоспособности осуществляется непрерывно, и результаты измерений непрерывно сравниваются с эталонными уровнями, позволяющими оценить техническое состояние каждого узла ЭМС как «хорошее», «удовлетворительное» и «неудовлетворительное». Это позволяет принимать решение по дальнейшей эксплуатации ЭМС МК, прогнозировать отказ и ремонт отдельных узлов.
Параметры для контроля исправности элементов в функциональных
частях ЭМС
№ п/п Функциональные части и узлы ЭМС Контролируемые параметры
1 Механическая часть: -редукторы; -выходные валы Температура нагрева подшипников и масла в редукторе. Вибрация элементов редуктора при работе (специальные виброакустические характеристики). Уровень масла в редукторе. Суммарный зазор в передачах редуктора. Мощность механических потерь в редукторе.
2 Электрическая часть: -электродвигатели; -кабельные линии; -трансформатор; -коммутирующая аппаратура; -преобразователи 2.1 Электродвигатели: фазные напряжения и токи обмоток статора ЭД переменного тока и якоря машины постоянного тока. Высокочастотные пульсации и спектральный состав сетевых токов. Сопротивление изоляции электрооборудования относительно земли. Вибрация подшипниковых узлов ЭД. Температура обмоток ЭД. Профиль коллектора и износ щеток машины постоянного тока. 2.2 Кабельная сеть: Сопротивление изоляции кабельной сети. 2.3 Трансформатор: сетевые фазные токи и напряжения, фазные сопротивления постоянному току, фазные сопротивления к.з., фазные индуктивности обмоток, потери х.х., шум, температура масла и обмоток, уровень вибрации конструктивных элементов. 2.4 Коммутирующие аппараты (автоматические пускатели и контакторы): потребляемый ток, шум, уровень вибрации элементов, температура контактов. 2.5 Преобразователи: (преобразователь частоты, управляемый выпрямитель): сетевые фазные токи и напряжения нагрузки. Температура силовых элементов. Шум, вибрация конструктивных элементов.
Окончание таблицы
№ п/п Функциональные части и узлы ЭМС Контролируемые параметры
3 Г идравлическая часть: -гидронасос; -гидравлическая сеть; -гидроцилиндры крепи Давление рабочей жидкости в гидросистеме, уровень масла в маслобаке маслостанции. Давление и расход жидкости в системах орошения и охлаждения ЭД. Температура рабочей жидкости в контрольных точках гидросистемы. Уровень вибрации корпуса гидронасоса. Наличие примесей в рабочей жидкости. Скорость передвижки крепи и скребкового конвейера МК. Объемный К.П.Д. и амплитуда пульсаций давления на выходе гидронасоса. Производительность гидронасоса.
4 Система управления и защиты комплекса: Уровень напряжений и токов блоков питания и узлов управления. Положение контактов коммутационной аппаратуры управления и защиты. Тестовый контроль правильности функционирования микропроцессорных систем управления отдельных ЭМС механизмов.
5 Исполнительный орган: -очистной комбайн; -скребковый конвейер; -механизированная крепь 5.1 Шнеки очистного комбайна: износ резцов; энергоемкость разрушения; износ элементов цевочного зацепления (рейки и звездочек) движителей бесцепной передачи. 5.2 Приводная скребковая цепь с скребками: - износ звеньев цепи; усилие натяжения цепи; энергоемкость транспортировки угля 5.3 Механическое ограждение крепи и секции става конвейера: положение элементов отражения крепи; целостность замков секций крепи и става конвейера; конечное положение става конвейера.
Параметры контроля исправности исполнительных органов ЭМС машин индивидуальны и представлены в п.5 таблицы.
Контроль правильности функционирования ЭМС отдельных машин является индивидуальным, так как каждая машина МК имеет свое предназначение.
Контроль правильности функционирования ЭМС очистного комбайна включает измерение скорости поступательного движения комбайна и оценку его производительности и энергоемкости разрушения угля за цикл выемки (перемещение от запасного до вентиляционного штрека и обратно), с последующим сопоставлением полученных фактических данных с проектными (расчетными) для конкретных горно-геологических условий. В случае выполнения заданных режимных параметров ЭМС комбайна функционирует правильно и при отсутствии отказов и дефектов ЭМС она работоспособна.
Производительность Q (т/час) и энергоемкость Э (кВт*ч/т) очистного комбайна определяются по формулам:
Q = у* Ь * Н * V; (1)
Р Р
Э=~=рг+(2)
где у - удельный вес угля, т/м ; Ь, Н - соответственно, ширина, захвата исполнительного органа комбайна и вынимаемая мощность пласта, м; V-скорость передвижения комбайна, м/час; Р - мощность потребляемая комбайном при выемке угля, кВт; А- коэффициент, характеризующий сопротивляемость угля резанию, кВт*час/т; Р0 - мощность потребляемая электроприводом комбайна в режиме холостого хода (х.х.).
В уравнениях (1) и (2) кроме производительности и энергоемкости присутствует информационный параметр мощность х.х. комбайна Р0, который характеризует потери активной мощности в редукторах комбайна и нормируется при оценки К.П.Д. редукторов.
Аналогично, определяется правильность функционирования ЭМС скребкового конвейера и перегружателя путем измерения скорости движения тяговой цепи и вычисления производительности и энергоемкости по формулам (1) и (2).
Правильность функционирования механизированной крепи определяется путем измерения скорости передвижения ограждений крепи и става конвейера за цикл выемки угля, с контролем установки крепи и става конвейера в конечные положения. Временной фактический цикл работы крепи сравнивается с заданным технической характеристикой в конкретных горно-геологических условиях и дается оценка правильности функционирования, если заданные характеристики выполняются.
Как видно их вышесказанного, в состав ЭМС входит множество элементов различных по назначению и принципах их действия. Все это приводит к большому разнообразию параметров контроля. Все многообразие параметров можно разделить на четыре группы:
1. Параметры, характеризующие технические состояния (ТС) и режимы работы элементов ЭМС. К ним относятся механические величины, угловые и линейные перемещения, механические колебания, электрические и температурные величины элементов ЭМС и др.
2. Параметры, характеризующие состояние внешних факторов диагностического фона ЭМС. Они отражают состояние внешней среды, в которой функционируют подсистемы электромеханического объекта. Например, применительно к МК, к параметрам второй группы относятся состав рабочей атмосферы - пыль, взвесь, нагруженность, горное давление на элементы конструкций, тепловой, влажностный режим, различные коэффициенты плотностей перемещаемых веществ и др.
3. Сигнальные параметры ЭМС типа «Да» - «Нет». Например «нали-
160
чие примесей в рабочей жидкости» - да или нет. Применительно к коммутирующей и исполнительной аппаратуре ЭМС, к данному типу параметров можно отнести факты замыкания реле, срабатывания командоконтролле-ров, контакторов или магнитных пускателей и др. события.
4. Параметры масштабирования подсистемы сбора и передачи данных в системе диагностирования, представляющие уровни калибровочных электрических сигналов.
Для упрощения процесса определения оптимального алгоритма обработки информации контроля работоспособности предлагается классифицировать измерительные параметры не только по физической сущности, но и по их информационным характеристикам. В качестве критерия, определяющего принадлежность параметра к той или иной группе, предлагается использовать показатель динамичности изменения параметра текущего ТС ЭМС.
С целью классификации параметров по критерию динамичности необходимо определить его численное значение, по которому данный параметр можно отнести к той или иной группе. Критерий должен включать величину, автоматически присутствующую при всех измерениях. Такой величиной является среднеквадратическая ошибка s информационноизмерительной подсистемы в системе контроля работоспособности электромеханического оборудования. В качестве минимально различимого численного значения критерия динамичности используется величина:
д= *
t ’
где t - время наблюдения всего вектора параметров, входящих в вышеперечисленные 4 группы.
В теории обработки экспериментальных данных [2] принимается, что все измерения, отличающиеся друг от друга на величину, меньшую 3s с вероятностью 0,99972, считаются постоянными.
В зависимости от скорости изменения параметры ЭМС предлагается разделить на четыре группы:
1. Статические параметры. Для них
P < Д
1 max — L-x 5
где Pmax - максимальная скорость изменения измеряемого параметра.
т.е. в течение интервала наблюдения параметр практически не изменяется.
2. Динамические параметры. Для них
F •Д-t > P max > Д ,
где F - частота опроса параметра.
f - л,•
где Dti - моменты времени, в которые необходимо производить опрос
функции для ее передачи.
Т.е. в течение интервала наблюдения параметр изменяется больше чем на Д, однако изменение его между соседними отсчетами меньше критерия динамичности.
3. Быстроменяющиеся параметры. Для них
F-Д-t < P max ,
т.е. за время между соседними отсчетами параметры изменяются на величину, превышающую 3s .
4. Сигнальные параметры. Для этой группы
Г ¥ в момент измерения;
[0 в остальное время.
Вывод. Разработана классификация параметров контроля работоспособности ЭМС, учитывающая не только физическую сущность параметров, но и их информационные характеристики, что существенно упрощает процесс определения оптимального алгоритма обработки информации о ТС. Предложены критерии оценки динамичности параметров, определяющие их принадлежность к той или иной группе признаков. Установлены параметры контроля работоспособности основных элементов ЭМС подземных горных машин в соответствии с предложенной классификацией. Сформированная классификация параметров позволяет более точно организовывать автоматическую обработку данных измерений параметров ЭМС, а также формализовать их для параллельных вычислительных базисов при компьютерной обработке.
Список литературы
1. Линник В.Ю. Анализ технико-экономических показателей работы отечественных и зарубежных механизированных комплексов подземной добычи угля // Горный журнал. №8. 2012. С.12 -25.
2. Браверман Э.М., Мучник И.Б. Структурные методы обработки эмпирических данных. М.: Наука, 1983. 464 с.
Бабокин Геннадий Иванович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, gibabokin-nov@yandex. ru, Россия, Новомосковск, Российский химико-технологический университет (Новомосковский филиал) им. Д.И. Менделеева,
Шпрехер Дмитрий Маркович, канд. техн. наук, доц., shpreher-d@yandex.ru, Россия, Новомосковск, Российский химико-технологический университет (Новомосковский филиал) им. Д. И. Менделеева
SUBSTANTIATION OF PARAMETERS OF THE CONTROL OF SERVICEABILITY OF THE ELECTROMECHANICAL SYSTEMS OF UNDERGROUND MINING MACHINES
G.I. Babokin, D.M. Shprekher
Classification of parameters of control of capacity of the electromechanics systems (EMS) is worked out. Criteria are offered estimations of dynamic quality ofparameters, qualificatory their belonging to one or another group of signs. The parameters of control of capacity of basic elements are set EMS underground mountain machines in accordance with the offered classification.
Key words: electromechanics system, control of capacity, criterion of dynamic quality.
Babokin Gennady Ivanovich, doctor of technical science, professor, manager of department, gibabokinnov@yandex. ru, Russia, Novomoskovsk, Russian Chemical-technological University (Novomoskovsk branch of) them. D.I. Mendeleev,
Shprekher Dmitry Markovich, candidate of technical science, docent, shpreher-d@yandex.ru, Russia, Novomoskovsk, Russian Chemical-technological University (Novomoskovsk branch of) them. D.I. Mendeleev
УДК 62-523.2
ПРЯМОЕ УПРАВЛЕНИЕ МОМЕНТОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В МЕХАНИЗМЕ ПОДЪЁМА КОЗЛОВОГО КРАНА
М.А. Шурлепов
Рассмотрено преимущество применения электропривода с системой прямого управления моментом в качестве составляющей механизма подъёма козлового крана. В качестве лабораторной установки использована математическая модель электропривода, реализованная в пакете Simulink программы Matlab. Приведены результаты моделирования данной системы под изменяемой по времени и величине нагрузкой, соответствующей полному циклу работы козлового крана, а также с учетом ограничения угловой скорости на валу ротора двигателя согласно режимам работы.
Ключевые слова: козловой кран, механизм подъёма, прямое управление моментом, электропривод, моделирование, нагрузка.
Электропривод с системой БТС (Бігес1;ТощиеСоп1го1)отрабатьівает стопроцентный скачок задания момента за 1 - 2 мс, обеспечивает регулирование момента при низких частотах вращения, включая и нулевую, а также обеспечивает точность поддержания скорости на уровне 10% скольжения асинхронного двигателя без использования датчика скорости и 0,01% с использованием датчика скорости[2].
Характерными признаками системы БТС являются:
163
