Научная статья на тему 'Расчетно-экспериментальное построение механических характеристик электромагнитного привода подачи бурового станка'

Расчетно-экспериментальное построение механических характеристик электромагнитного привода подачи бурового станка Текст научной статьи по специальности «Машиностроение»

CC BY
68
8
Поделиться
Ключевые слова
ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД / ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД / БУРОВОЙ СТАНОК / АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С МАССИВНЫМ РОТОРОМ / МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА / МАГНИТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ / НОМИНАЛЬНОЕ УСИЛИЕ / (DRILLING) RIG / ASYNCHRONOUS (INDUCTION) MOTOR WITH A MASSIVE ROTOR

Аннотация научной статьи по машиностроению, автор научной работы — Шигин Андрей Олегович, Гилёв Анатолий Владимирович

Разработан и изготовлен лабораторный электромагнитный привод механизма подачи рабочего органа бурового станка на основе линейного трехфазного асинхронного двигателя с массивным ротором. Также разработаны ме-тодики определения зависимости подающего усилия линейного двигателя от линейной скорости движения ротора, частоты и величины питающего напряжения. Получены механические характеристики лабораторного линейного трехфазного асинхронного двигателя без ферромагнитного магнитопровода. Представлен расчет подающего усилия линейного двигателя с магнитопроводом с учетом магнитного сопротивления участков магнитной цепи. Построены расчетно-экспериментальные механические характеристики линейного трехфазного асинхронного двигателя с ферромагнитным магнитопроводом, работающего в качестве электромагнитного привода подачи бурового станка с номинальным усилием подачи 200 и 300 кН.

Похожие темы научных работ по машиностроению , автор научной работы — Шигин Андрей Олегович, Гилёв Анатолий Владимирович,

COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL BUILDING OF MECHANICAL CHARACTERISTICS FOR RIG ELECTROMAGNETIC FEEDER

A laboratory electromagnetic drive for a drilling rig feeder is developed and produced on the basis of a linear three-phase induction motor with a solid rotor. The procedures to determine dependencies of the linear motor feed force on the linear speed of the rotor, the frequency and magnitude of the supply voltage are devised as well. Mechanical characteristics of the laboratory linear three-phase induction motor without a ferromagnetic core are obtained. The calculation of the feed force of the magnetic core linear motor is presented taking into account the magnetic resistance of magnetic circuit section. The authors build computational and experimental mechanical characteristics of the linear three-phase asynchronous motor with a ferromagnetic core, operating as an electromagnetic feed drive of the drilling rig with nominal feed force of 200 and 300 kN.

Текст научной работы на тему «Расчетно-экспериментальное построение механических характеристик электромагнитного привода подачи бурового станка»

ностей при шлифовании БП.

6. При обработке больших операционных партий режим шлифования необходимо увязывать со стабильностью процесса.

7. Установлено, что повышение пористости в

кругах «Аэробор» вызвало рост высотных параметров микронеровностей до одной-двух КВ. Одновременно отмечено повышение стабильности процесса в 1,5-2,5 раза и сужение размахов наблюдений от семи до четырех КВ.

Библиографический список

1. Никифоров И.П. Современные тенденции шлифования и абразивной обработки: монография. Старый Оскол: ТНТ, 2012. 560 с.

2. Кремень З.И., Юрьев В.Г., Бабошкин А.Ф. Технология шлифования в машиностроении / под общ. ред. З.И. Кремня. СПб.: Политехника, 2007. 424 с.

3. Инженерия поверхности / Кол. авт.; под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2008. 320 с.

4. Закс Л. Статистическое оценивание / пер. с нем. М.: Статистика, 1976. 598 с.

5. Уилер Д., Чамберс Д. Статистическое управление процессами / пер. с англ. М.: Альпина Бизнес Букс, 2009. 409 с.

6. Холлендер М., Вулф Д. Непараметрические методы статистики / пер.с англ. М.: Финансы и статистика, 1983. 506 с.

7. Солер Я.И., Каменская Л.Г., Шумейкина И.М. Прогнози-

рование микротвердости пластин Р9М4К8 при плоском шлифовании кругами «Аэробор» // Перспективные технологии получения и обработки материалов: межвуз. сб.тр.; под. ред. С.А. Зайдеса. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. С. 20-25.

8. Солер Я.И., Прокопьева А.В. Исследование влияния выхаживания на микрорельеф пластин Р9М4К8 при шлифовании кругами из кубического нитрида бора // Обработка металлов. 2009. №1 (42). С.24-27.

9. Солер Я.И., Казимиров Д.Ю. Выбор абразивных кругов при плоском шлифовании деталей силового набора летательных аппаратов по критерию шероховатости поверхности // Вестник машиностроения. 2010. №5. С.55-64.

10. Фрезы и фрезерование: монография / О.М. Балла [и др.]; под общ. ред. А.И. Промптова. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. 172 с.

УДК 622.233.05:621.3

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОСТРОЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА ПОДАЧИ БУРОВОГО СТАНКА

© А.О. Шигин1, А.В. Гилёв2

Сибирский федеральный университет, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 79.

Разработан и изготовлен лабораторный электромагнитный привод механизма подачи рабочего органа бурового станка на основе линейного трехфазного асинхронного двигателя с массивным ротором. Также разработаны ме -тодики определения зависимости подающего усилия линейного двигателя от линейной скорости движения ротора, частоты и величины питающего напряжения. Получены механические характеристики лабораторного линейного трехфазного асинхронного двигателя без ферромагнитного магнитопровода. Представлен расчет подающего усилия линейного двигателя с магнитопроводом с учетом магнитного сопротивления участков магнитной цепи. Построены расчетно-экспериментальные механические характеристики линейного трехфазного асинхронного двигателя с ферромагнитным магнитопроводом, работающего в качестве электромагнитного привода подачи бурового станка с номинальным усилием подачи 200 и 300 кН. Ил. 7. Табл. 1. Библиогр. 9 назв.

Ключевые слова: лабораторный стенд; электромагнитный привод; буровой станок; асинхронный двигатель с массивным ротором; механическая характеристика; магнитное сопротивление; номинальное усилие.

COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL BUILDING OF MECHANICAL CHARACTERISTICS FOR RIG ELECTROMAGNETIC FEEDER A.O. Shigin, A.V. Gilyov

Siberian Federal University,

79 Svobodny Av., Krasnoyarsk, Russia, 660041.

A laboratory electromagnetic drive for a drilling rig feeder is developed and produced on the basis of a linear three-phase induction motor with a solid rotor. The procedures to determine dependencies of the linear motor feed force on the linear speed of the rotor, the frequency and magnitude of the supply voltage are devised as well. Mechanical characteristics of the laboratory linear three-phase induction motor without a ferromagnetic core are obtained. The calculation of the feed force of the magnetic core linear motor is presented taking into account the magnetic resistance of magnetic circuit sec-

1 Шигин Андрей Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и комплексов, тел.: 89131862659, e-mail: shigin27@rambler.ru

Shigin Andrei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Complexes, tel.: 89131862659, e-mail: shigin27@rambler.ru

2Гилёв Анатолий Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горных машин и комплексов, тел.: 89831542368, e-mail: anatoliy.gilev@gmail.com

Gilyov Anatoly, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Mining Machinery and Complexes, tel.: 89831542368, e-mail: anatoliy.gilev @ gmail.com

tion. The authors build computational and experimental mechanical characteristics of the linear three-phase asynchronous motor with a ferromagnetic core, operating as an electromagnetic feed drive of the drilling rig with nominal feed force of 200 and 300 kN. 7 figures. 1 table. 9 sources.

Key words: laboratory test bench; electromagnetic drive; (drilling) rig; asynchronous (induction) motor with a massive rotor; mechanical characteristic; magnetic resistance; nominal force.

В настоящее время в горной промышленности применяются буровые станки с различными типами враща-тельно-подающих механизмов. Их особенности характеризуются величиной усилия подачи, частотой вращения бурового става и др. При бурении сложноструктурных массивов горных пород, имеющих изменение физико-механических свойств по глубине в широком диапазоне, возникают значительные ударные нагрузки и вибрация, результатом которых является увеличение циклических напряжений во всем буровом органе. При этом 80% случаев отказов приходится на разрушение опор качения шарошек буровых долот [1]. Из анализа наработок на отказ шарошечных долот следует вывод о значительном снижении их стойкости (в 2 и более раз).

В конструкции современных шарошечных долот обычно применяются опоры по схеме «ролик-шарик-ролик». Предел прочности сталей тел качения на сжатие составляет 1900-2300 МПа и выше. Для получения высших показателей необходимо осуществлять термическую обработку с большой точностью в температурах и времени выдержки [2]. Расчеты показывают, что напряжение в телах качения при равномерном сжатии составляет1400-1650 МПа, но при значительных колебаниях физико-механических свойств породы доходит до 2250 МПа и выше (рис. 1).

Было получено выражение для напряжения в опорах качения, возникающего при ударе через показатель бу-римости для роликовых тел качения [3]:

СГ_Т„ = 600 ■:

р.уд.

F.

z ■ D ■ L

2 П + 2АПб 2 П + АПб

(1)

где Fr - радиальное усилие, прилагаемое к подшипнику, Н; z - количество тел качения в подшипнике; Dр - диаметр ролика, мм; Lр - длина ролика, мм; Пб - показатель буримости [4]; ДП6 - изменение показателя буримости, связанное с изменением свойств породы.

С использованием выражения (1) построены зависимости напряжения в роликах опор качения трехшарошеч-ного долота, возникающего при ударе, от величины изменения показателя буримости ДП6 (рис. 1).

Минимальное напряжение соответствует бурению породы без ударов. Кривые построены с показателем буримости Пб = 7,5. Горизонтальные прямые (рис. 1) показывают величину предела прочности при сжатии сталей 55СМ5ФА, 55СМА-1, 55СМА, применяемых при изготовлении отечественных долот.

Высокий уровень напряжений, близких к пределу прочности материала, говорит о недостаточных запасах прочности и наличии усталостного разрушения. 2400

Изменение показателя буримости ДПе

Рис. 1. Напряжения в роликах опор качения шарошек: —Л— кривые 1-3 - напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 215,9 мм при осевом усилии 140,160 и 180 кН; —□— кривые 4-6 - напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 244,5 мм при осевом усилии 180, 200, 220 кН; —о— кривые 7-9 -напряжения, возникающие в опорах шарошечного долота диаметром 269,9 мм при осевом усилии 200, 235, 270 кН

Для приближения ресурса шарошечных долот к максимально возможному, имеющему место при бурении однородной породы, необходимо применение адаптивного вращательно-подающего механизма [5, 6]. Он позволяет применять существующие шарошечные долота с низким запасом прочности и повысить их ресурс.

Отечественные и зарубежные станки шарошечного бурения имеют в системе подачи нерегулируемые гидроприводы и другие системы подачи [7]. При изменении свойств горной породы исключить внезапную ударную нагрузку на буровой орган практически невозможно. На изменение свойств породы уже позже реагирует машинист. Но в течение указанного переходного процесса буровой инструмент испытывает сложнейшие по характеру и величине нагрузки, вследствие чего стойкость буровых долот значительно снижается.

Для решения данной проблемы разработан экспериментальный лабораторный стенд «Электромагнитный механизм подачи бурового станка», основным элементом которого является линейный трехфазный асинхронный электрический двигатель с массивным ротором. Он имеет в своей основе статорную обмотку, подключаемую к сети трехфазного переменного тока, напряжением 380 В. В качестве ротора используется стандартная труба из стали, обладающей ферромагнитными свойствами.

Схема экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем представлена на рис. 2.

А ш Нч

-^¿Г*..... А---V---- о

Рис. 2. Схема экспериментальной установки с трехфазным асинхронным линейным двигателем

Стенд состоит из стальной рамы 1 с роликовыми опорами 2, в которых подвижно закреплен массивный ротор 3 в виде стальной магнитной трубы. Статор 4 в виде цилиндрических обмоток расположен вокруг массивного ротора 3 с возможностью продольного перемещения последнего внутри статора. Катушки статора могут подключаться попеременно, как показано на рисунке, по одной или несколько на каждую фазу. Таким образом, стенд позволяет проанализировать режимы работы двигателя. Для этого он оснащен динамометром 6 для измерения усилия подачи пневмоцилиндра 5, а также приборами для измерения тока и напряжения в определенных фазах. Двигатель стенда не имеет магнитопровода для получения характеристик, зависящих от минимального числа факторов. Двигатель подключается к сети переменного трехфазного напряжения 380 В.

Трехфазный двигатель состоит из 12 катушек, изготовленных из медной проволоки сечением 0,64 мм по 1500 витков каждая. Манометр имеет деление шкалы 0,1. атм и предел измерений 6,0 атм. Пневмоцилиндр имеет диаметр поршня 4 см, длину штока 14,5 см.

Для измерения силы тока к одной из фаз подключается амперметр. В связи с тем что при подключении амперметра возникает несимметричная нагрузка, целесообразно применять токовые клещи или трансформатор тока. Для измерения создаваемого линейным двигателем усилия применяется манометр, измеряющий давление в пневмоцилиндре при установившейся скорости ротора линейного двигателя. Линейная скорость движения ротора получается путем расчета через измеренный ход при установившемся давлении и время прохождения этого участка.

Все двигатели трехфазного тока создают нагрузку, близкую к симметричной, и поэтому двигатели трехфазного тока включаются в сеть по трехпроводной схеме, т.е. без нейтрального провода [8]. Для подключения линейного асинхронного двигателя выбирается схема подключения Y (звезда без нейтрального провода), что позволяет упростить измерения токов !л=!ф=! при симметричной нагрузке. Токи на каждой фазе также будут одинаковы. Поэтому достаточно замерить ток только на одной фазе.

Двигатель подключается к трехфазной сети с линейным напряжением ^=380В через магнитный пускатель (для дистанционного управления двигателем) с тепловым реле (для защиты от критических токов).

Катушки статора соединяются группами и образуют обмотки отдельных фаз двигателя. Внутри статора помещается вторичный элемент трубчатой формы, выполненный из стали 45, обладающей свойствами ферромаг-

нетика. При подключении к сети обмоток статора вдоль его внутренней поверхности образуется бегущее магнитное поле, которое индуцирует на внешней поверхности вторичного элемента токи, направленные по его окружности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем двигателя создает на вторичном элементе силу, действующую вдоль трубы, которая и вызывает поступательное движение вторичного элемента относительно статора в продольном направлении.

С помощью разработанного и изготовленного исследовательского стенда можно получить зависимости усилия подачи P линейного двигателя от: скорости движения v бурового става Р=Щ; частоты 1 напряжения источника электроэнергии Р=Щ величины напряжения и источника электроэнергии Р=1(и). Получение характеристик при изменении значений одной из величин V, 1 или и происходит при двух других неизменных в заданном значении. Например, при получении характеристики Р=Щ скорость движения вторичного элемента устанавливается в различных заданных значениях для каждого отдельного эксперимента при помощи регулируемого пневмоцилин-дра, создающего осевую нагрузку, обратную ходу вторичного элемента. При этом частота 1 и величина напряжения и источника электроэнергии остаются в заданном значении.

Методика определения зависимости подающего усилия линейного двигателя от линейной скорости движения ротора при постоянных напряжении и частоте питающего напряжения Р=Щ включает следующую последовательность действий:

1. Собирается электрическая цепь. Схема подключения Y (звезда без нейтрального провода).

2. Устанавливается величина напряжения и источника электроэнергии при помощи трехфазного трансформатора для построения одной кривой.

3. Устанавливается величина частоты 1 напряжения источника электроэнергии при помощи преобразователя частоты для построения одной кривой.

4. Задается сечение выходного отверстия регулируемого пневмоцилиндра для данного замера.

5. Включается источник электроэнергии и фиксируются осевое усилие на динамометре, время хода вторичного элемента и величина пускового и номинального тока.

6. Меняется сечение выходного отверстия регулируемого пневмоцилиндра для следующего замера и фиксируются осевое усилие на динамометре, время хода вторичного элемента и величина пускового и номинального тока.

7. Эксперимент повторяется не менее пяти раз для получения характеристики достаточной точности. При необходимости получения нескольких кривых необходимо ступенчато изменять установленные значения 1 и и.

Первая серия экспериментов проводилась при параллельном подключении секций двигателя. При этом активное сопротивление обмотки составляло 3 Ом, каждая обмотка была подключена к напряжению 380 В, по ней протекал ток 73 А и расчетная мощность на каждой обмотке составляла 27,7 кВт (таблица).

Данные экспериментов при смешанном подключении секций двигателя

Расчетные данные при параллельном подключении секций двигателя Расчетные данные при смешанном подключении секций двигателя

Серия экспериментов Номер эксперимента Усилие, Н Скорость, м/сек Серия экспериментов Номер эксперимента Усилие, Н Скорость, см/сек

1 1 0 29,0 2 1 0 26,36

2 263,7 15,5 2 188,4 10,0

3 138,1 6,22 3 87,9 5,55

4 50,2 3,41 4 37,9 3,18

5 10 0 5 8 0

Вторая серия экспериментов проводилась при смешанном подключении секций двигателя. При этом активное сопротивление обмотки составляло 6 Ом, каждая обмотка была подключена к напряжению 190 В, по ней протекал ток 31,6 А и расчетная мощность на каждой обмотке составляла 12,8 кВт (таблица).

По данным, представленным в таблице, построены механические характеристики лабораторного линейного двигателя без магнитопровода (рис. 3).

Для концентрации магнитного потока во всех силовых электрических машинах применяются различные маг-нитопроводы. Поскольку двигатель в лабораторном стенде не имеет ферромагнитного магнитопровода, необходимо рассчитать номинальное подающее усилие в случае наличия магнитопровода, изготовленного из электротехнической стали, а затем найти мощность двигателя, способного создавать подающее усилие до 200 или 300 кН в применении к соответствующей модели бурового станка. Для этого необходимо рассчитать магнитное сопротивление цепи с магнитопроводом и без него.

Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхронного двигателя с массивным ротором без магнитопровода показана на разрезе тороидальной обмотки (рис. 4).

Схема магнитной цепи обмотки статора с магнитопроводом показана на рис. 5.

V, см /с

35

300 р;н

Рис. 3. Механические характеристики лабораторного линейного трехфазного асинхронного двигателя без ферромагнитного магнитопровода: 1 - зависимость усилия подачи от линейной скорости массивного ротора при мощности лабораторного двигателя 27,7 кВт; 2 - зависимость усилия подачи от линейной скорости массивного ротора при мощности лабораторного двигателя 12,8 кВт

¡2

Магнитный поток

1

Рис. 4. Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхронного двигателя с массивным ротором без магнитопровода: 1 - обмотка статора; 2 - массивный ротор в виде стальной трубы; 11, ¡2,¡з, ¡4 - участки

магнитной цепи

¡3.

Магнитный поток

Рис. 5. Схема магнитной цепи одной обмотки статора линейного асинхронного двигателя с массивным ротором с магнитопроводом: 1 - обмотка статора; 2 - массивный ротор в виде стальной трубы; 11т, ¡2т, ¡зт, ¡4т, ¡5т, ¡6т -

участки магнитной цепи с магнитопроводом

В общем виде магнитное сопротивление участка цепи можно представить следующим образом [8]:

I

Я =

МоМ^

, Гн-

2

2

где - магнитное сопротивление участка цепи, Гн-; I - длина участка магнитной цепи, м; - магнитная постоянная, Гн/м; иг - магнитная проницаемость вещества участка магнитной цепи; Б - площадь поперечного сечения

2

участка магнитной цепи, м .

Магнитное сопротивление цепи без магнитопровода определяется следующим образом (Гн-1):

Я - К

Ят1 - -

+ -

и

- + -

и

- + -

/

4_ _

/0/^ МоМ^ /0/^

К (Мг2Мг3Мг4 )+ 12 (МнМгуМг4 )+ 13 (Мг1тМг2тМг4т )+ 14 (МгЯг2Мг3 )

Мо$МгхМггМгъМг4 '

Длины участков магнитной цепи без магнитопровода (см.рис. 3): 11 = 0,02 м; 12 = 0,06 м; 13 = 0,02 м; 14 = 0,06 м. Магнитная проницаемость вещества участков магнитной цепи [8]: ^ = 1 (воздух); уг2 = 1 (воздух); уг3 = 1 (воздух); уГ4 = 3500 (среднеуглеродистая сталь 45). Площади поперечного сечения участков магнитной цепи принимаем

с я-1,257-10~бГн/м. равными Б.

Магнитное сопротивление цепи с магнитопроводом из электротехнической стали определяется следующим образом (Гн-1):

Ят2 -

+ -

+

+

/

+

I

+

I

6т _

К1т (

МоМлт^ М0Мг 2т^ МоМгЗт^ М0Мг 4т^ М0Мг 5т^ М0Мг 6т^

М г 2тМг Зт Мг 4тМ г5 т Мг 6 т

)+ К2т (/г1т

I Мг 3 т Мг 4тМ г5 т Мг 6

т )+ К3т (мг1

т Мг 2 т Мг 4 т Мг 5 т Мг6 т

К4т (/

Мо^М г1тМг 2т Мг 3 т Мг 4т М г 5тМг 6

+

Мг1 т Мг 2 т Мг 3 т Мг 5 т Мг 6 т 5т (Мг1 т Мг 2 т Мг 3 т Мг 4 т Мг 6 т )+ К6т (Мг1тМ г 2тМг 3т Мг 4тМ г5 т

Мо^М г1тМг 2т Мг 3 т Мг 4т Мг 5т Мг 6 т

Длины участков магнитной цепи с магнитопроводом (см.рис. 4): 11т = 0,0005 м; 12т = 0,0195 м; 13т = 0,06 м; 14т = 0,0195 м; 15т = 0,0005 м; 16т = 0,06 м. Магнитная проницаемость вещества участков магнитной цепи [8]: цг1т = 1 (воздух); уат = 7500 (электротехническая сталь); цг3т = 7500 (электротехническая сталь); уг4т = 7500 (электротехническая сталь); уг5т = 1 (воздух); уг6т = 3500 (среднеуглеродистая сталь 45). Площади поперечного сечения

участков магнитной цепи принимаем равными Б. /о — 1,257 Л06 Гн/м.

Ориентировочное усилие, развиваемое двигателем, обмотки которого имеют магнитопровод Р2, можно найти из соотношения

Р - Р ■ -Я' Р2 Р1

)+ К6т (/

Я

где Р1 - усилие, развиваемое двигателем, обмотки которого не имеют магнитопровода, Н.

При условии, что воздушный зазор 0,5 мм, при аналогичных размерах магнитопровода получим

Р - Р 1 2 1 1

Я

Я

- Р

0,02 ■ 3500 + 0,06 ■ 3500 + 0,02 ■ 3500 + 0,06 ■ 1

1

7500

0,0005 ■ (7500 ■ 3500) + 0,0195 ■ 3500 + 0,06 ■ 3500 + 0,0195 ■ 3500 + 0,0005 ■ (7500 ■ 3500)+ 0,06 ■ 7500

т

х

х

- Р ■ 97,072.

Таким образом, трехфазный асинхронный двигатель с массивным ротором, имеющий аналогичные размеры, оснащенный магнитопроводом, будет развивать усилие в пределах 7766-8736,5 Н. Отсюда среднее значение усилия Р1 = 8251 Н при потребляемой мощности 6,35 кВт. Для достижения усилия подачи 200 кН при номинальной скорости 15-20 см/с данный привод должен будет иметь минимальную мощность (с учетом магнитных и электрических потерь) N = 154 кВт.

Однако максимальная скорость бурения шарошечными долотами составляет 120 м/ч. Это означает, что скорость, полученная при экспериментальных исследованиях, должна быть уменьшена в 4,5-6 раз. Это осуществимо при помощи уменьшения частоты питающего напряжения сети либо при увеличении числа пар полюсов.

Как показано в [9], скорость вращения магнитного поля в асинхронном двигателе вращательного действия

по =

60/ Р

где п0 - частота вращения магнитного поля, с-; f - частота напряжения сети, Гц; р - число пар полюсов.

Без учета краевых эффектов, имеющих место в линейных асинхронных двигателях, скорость бегущего магнитного поля линейного асинхронного двигателя также прямо пропорциональна частоте напряжения сети и обратно пропорциональна числу пар полюсов.

60/

I

Р

где I - характерный размер статора асинхронной машины, м; f - частота напряжения сети, Гц; р - число пар полюсов.

При условии, что лабораторные исследования будут проводиться при частоте напряжения сети 50 Гц, двигатель механизма подачи должен быть запитан от сети с частотой напряжения порядка 10 Гц.

Как известно [9], электромагнитный момент асинхронной машины вращательного действия находится в обратной зависимости от частоты напряжения сети:

м

где Рэм - электромагнитная мощность, В 'А. V, см /мин

350

300 ■

250 ■

200 ■ 2

150 ■

100 ■ 1

50 ■

0 50000 100000 150000 2 00000 25 0000 300 000 3500 00 4000С

Р, Н

Рис. 6. Расчетно-экспериментальные механические характеристики электромагнитного привода подачи бурового станка мощностью 50 и 75 кВт с учетом коэффициента запаса мощности 1,5:1 - с номинальным усилием 20 т и потребляемой мощностью 50 кВт; 2 - с номинальным усилием 30 т и потребляемой мощностью 75 кВт

Таким образом, ориентировочно проектная мощность подающего электромагнитного двигателя при номинальном усилии 200 и 300 кН соответственно будет равна 50 и 75 кВт. На рис. 6 представлены механические характеристики линейных электромагнитных двигателей системы подачи бурового станка мощностью 50 и 75 кВт с учетом коэффициента запаса мощности 1,5.

Полученные механические характеристики линейного трехфазного асинхронного двигателя с ферромагнитным магнитопроводом показывают возможность его использования в качестве электромагнитного привода подачи рабочего органа бурового станка мощностью 50 и 75 кВт с учетом коэффициента запаса мощности 1,5. При этом мощность двигателей систем подачи с гидроприводом находится в сопоставимых пределах. Так, установленная мощность гидронасосов, работающих на систему подачи бурового станка СБШ -250, находится в пределах 65 кВт. Кроме того, электромагнитный привод подачи бурового органа способен своевременно реагировать на изменение свойств горной породы. Электромагнитный привод реагирует на увеличение или уменьшение показателя буримости и скорости бурения соответственным изменением величины тока в обмотке статора. При этом точка рабочего режима двигателя перемещается по механической характеристике. Время такой адаптивной реакции характеризуется периодом переходных электромагнитных процессов, что равняется десятым долям секунды [9]. Изменение тока в обмотке двигателя необходимо учитывать при проектировании электрической машины увеличением сечения провода обмотки двигателя.

Для оценки адаптивных свойств линейного асинхронного двигателя, работающего в качестве электромагнитного привода подачи бурового станка, необходимо рассмотреть особенности изменения электрических параметров двигателя при изменении нагрузки (рис. 7), характеризуемого соответствующими изменениями физико-механических свойств горной породы.

Рис. 7. Работа линейного электромагнитного привода при плавно изменяющейся и резко возрастающей нагрузке

Рассмотрим случай увеличения и уменьшения показателя буримости при бурении горной породы. В начальный момент двигатель работает в номинальном режиме (точка 2). При увеличении показателя буримости естественным путем снижается скорость бурения и линейная скорость двигателя v. При этом увеличивается скольжение и точка рабочего режима перемещается в точку 3. При снижении показателя буримости скорость бурения и линейная скорость двигателя естественным путем увеличиваются. При этом скольжение двигателя уменьшается и точка рабочего режима перемещается из точки 3 в точку 2. Аналогично точка рабочего режима двигателя смещается в другую сторону. Если в начальный момент двигатель работает в номинальном режиме (точка 2) и показатель буримости снижается, то скорость бурения и линейная скорость двигателя также естественным путем снижаются. При этом уменьшается скольжение и точка рабочего режима перемещается в точку 1. Затем при увеличении показателя буримости скорость бурения и линейная скорость двигателя естественным путем уменьшаются. Скольжение двигателя увеличивается, и точка рабочего режима перемещается из точки 1 в точку 2. Таким образом, адаптивность электромагнитного привода будет характеризоваться изменением усилия и скорости подачи при соответствующем изменении физико-механических свойств горной породы.

Резкие критические нагрузки способствуют снижению скорости на величину Av и более, что приводит к перемещению точки рабочего режима в точку 4 и ниже. При переходе точки рабочего режима через данную точку усилие двигателя снижается и критические нагрузки не передаются на механические узлы. Данное явление может применяться для предохранения ответственных узлов рабочего органа бурового станка от резких критических нагрузок. Повышение скорости двигателя и выход на номинальный режим в данном случае возможен повышением напряжения сети, либо снижением частоты напряжения сети, либо увеличением числа пар полюсов при помощи изменения схемы подключения отдельных обмоток.

Электромагнитный механизм подачи рабочего органа также позволяет легко автоматизировать процесс в случае длительных перегрузок. Изменение тока может фиксироваться напрямую с обмотки двигателя. В автоматическом режиме, согласно заложенной в контроллере функции, изменяется режим бурения. Соответственно должны быть изменены усилие и скорость подачи, а также момент на валу вращательного механизма и скорость вращения бурового става. Регулировка режимов возможна тремя способами: 1) преобразователем частоты; 2) понижением напряжения - для экстренного снижения величины ударных нагрузок; 3) комплексным использованием обоих способов для получения оптимальных режимов процесса бурения взрывных скважин.

Научно-исследовательская работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг.

Библиографический список

1. Техника, технология и опыт бурения скважин на карьерах / под ред. В.А. Перетолчина. М.: Недра, 1993. 286 с.

2. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали: учебник для вузов. М.: Металлургия, 1985. 408 с.

3. Шигин А.О., Гилев А.В. К вопросу о нагрузках на породоразрушающий инструмент при бурении сложноструктурных горных пород // Горное оборудование и электромеханика. 2012. №6. С.16-20.

4. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ: учебное пособие. 4 -е изд. М.: Изд-во МГГУ. 2001. 422 с.

5. Гилев А.В., Шигин А.О. и др. Адаптивная система подачи рабочих органов буровых станков // Фундаментальные исследования. 2010. №11. 4 с.

6. Шигин А.О. Основные принципы адаптивной системы подачи рабочих органов буровых станков // Вестник машиностроения. 2011. №5. 3 с.

7. Жуковский А.А. и др. Привод и системы управления буровых станков для карьеров. М.: Недра, 1990. 223 с.

8. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Изд. 9, перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1996. 638 с.

9. Вольдек А.И., Попов Д.А. Электрические машины: Машины переменного тока. СПб.: Высш. шк.; Питер, 2007. 350 с.