CC BY
37
переходу плюс время торможения-разгона где ts - время запрещающей фазы светофора (с), L - длина перехода (м)
6. Внеуличный переход, не оборудованный пандусом Спуск и подъём по лестнице, время передвижения по переходу плюс время торможения-разгона Задержка (с) T=zs/2+3,6*L/5+5, где zs - общее количество ступеней (вверх и вниз), L - длина перехода (м) -
7. Внеуличный переход, оборудованный пандусом Спуск и подъём по пандусу, время передвижения по переходу плюс время торможения-разгона Задержка (с) t=3,6*L/5+5, где L - суммарная длина перехода и пандуса (м) -
8. Движение по совмещённой велопешеходной дорожке (тротуару) совместно с пешеходами Снижение скорости для обеспечения безопасности движения Удельная задержка (с/км) т = 45,693*d, где d - плотность пешеходов на пути следования (чел/100м2) Длина участка (км)
9. Движение по правой стороне проезжей части дороги при наличии помех Снижение скорости для обеспечения безопасности движения Удельная задержка (с/км) т = 2,2435*f, где f - частота помех на пути следования (ед/100м) Длина участка (км)
10. Парковка Снижение скорости, процедура парковки Задержка (с) т=25 -
В качестве примера использования предложенных критериев были проведены расчёты для трёх веломаршрутов:
• маршрут №1: из центра района «Войковский» до центра района «Аэропорт» (МАДИ);
• маршрут №2: из центра района «Тимирязевский» до центра района «Аэропорт» (МАДИ);
• маршрут №3: из центра района «Хорошевский» до центра района «Аэропорт» (МАДИ).
Результаты расчётов приведены в табл. 2
Таблица 2. Оценка эффективности и качества веломаршрутов
№ п/п Наименование критерия Маршрут №1 Маршрут №2 Маршрут №3
1 2 3 4 5
1. Длина веломаршрута, км 3,16 4,01 4,1
2. Расстояние по прямой, км 2,06 3,02 2,35
3. Коэффициент прямолинейности веломаршрута 1,534 1,336 1,744
4. Фактическое время поездки на велосипеде tFV, мин 16,3 15,7 18,1
5. Теоретическое время поездки на велосипеде tITV, мин 7,584 9,624 9,84
6. Коэффициент приспособленности веломаршрута, % 46,52 62,6 54,7
7. Время передвижения из начала в конец маршрута на общественном транспорте, мин 26.30 35.50 29.40
8. Экономия времени по сравнению с общественным транспортом, мин 9,7.13,7 19,3.34,3 10,9.21,9
9. Время передвижения из начала в конец маршрута на автомобиле, мин 22.30 23.45 24.35
10. Экономия времени по сравнению с автомобилем, мин 5,7.13,7 7,3.29,3 5,9.16,9
11. Время передвижения из начала в конец маршрута пешком, мин 38 48 49
12. Экономия времени по сравнению с пешеходом, мин 21,7 32,3 30,9
Примечание: Время передвижения из начала в конец маршрута на общественном транспорте и на автомобиле определено по ГИС «Яндекс-Карты» с учётом времени сопутствующих операций, таких как парковка, запуск двигателя, передвижение пешком до места парковки и т.п.
Анализируя полученные результаты, можно отметить, что велосипедный транспорт в условиях такого мегаполиса, как Москва, является эффективным способом передвижения на расстояния порядка 3..5 км. На «хордовых» маршрутах указанной протяжённости велотранспорт оказывается самым быстрым способом перемещения по Москве даже в условиях отсутствия специализированной велоинфраструктуры. Внедрение же мероприятий, направленных на обеспечение удобства пользования велосипедом, способно повысить эффективность веломаршрутов на 40.. .55%.
Литература
1. Шелмаков П.С., Шелмаков С.В. Развитие велосипедного движения в Российской Федерации // Успехи современного естествознания. - 2012. - № 6. - С. 183-184.
2. Налимов И.П. Метод оценки пригодности дороги для передвижения на велосипеде [Электронный ресурс] // Велотранспортный союз: сайт. - URL: http://www.velotransunion.ru/veloprigodnost (дата обращения 21.08.2013).
Шигин А.О.1, Гилев А.В.2, Шигина А.А.3
Доцент, канд. техн. наук, Сибирский федеральный университет; 2Профессор, д-р техн. наук, Сибирский федеральный университет; 3Аспирант, Сибирский федеральный университет
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА
ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ОРГАНА БУРОВОГО СТАНКА
Аннотация
В статье рассмотрена - разработка и исследование адаптивного электромагнитного привода подачи рабочего органа бурового станка для открытых горных работ, а также представлена методика расчета его основных технических характеристик при проектировании на заданные параметры станка и его особенности работы.
Ключевые слова: адаптивный, система подачи, рабочий орган, методика, характеристики.
134
Shigin AO.1, Gilev A.V.2, Shigina A.A.3
'Docent, candidate of technical sciences, Siberian federal university; 2Professor, doctor of technical sciences, Siberian federal university
^Postgraduate student, Siberian federal university
CONCEPT DEVELOPMENT AND PERFORMANCE CALCULATION OF ELECTROMAGNETIC DRIVE FEED BODY
WORK OF DRILLING MACHINE
Abstract
In article it is considered the development and research of the adaptive electromagnetic drive of giving of working body of the drilling rig for open mining operations, and also the method of calculation of its main technical characteristics is presented at design on the set parameters of the machine and its feature of work.
Keywords: adaptive, giving system, working body, technique, characteristics
В исполнительных устройствах и механизмах возвратно-поступательного движения преимущественно применяются цилиндрические линейные электродвигатели, в основу конструкции которых положен модульный принцип [1]. Магнитопровод двигателя состоит из отдельных стальных шайб. Катушки обмотки наматывают на каркасы и помещают в пазы шайб магнитопровода. Образуются монтажные модули, из которых набирается индуктор двигателя [2]. Необходимый воздушный зазор между индуктором и вторичным элементом поддерживается с помощью подшипника скольжения запрессованного в торцевую крышку. Конструкция фиксируется кольцами.
Вторичный элемент цилиндрического электродвигателя выполняется в виде стержня или трубы с токопроводящим покрытием. Применение короткозамкнутого вторичного элемента повышает тягово энергетические показатели двигателя.
Внедрение линейных электродвигателей в различное технологическое оборудование сопровождается усовершенствованием существующих и разработкой новых конструкций этого типа электрических машин.
Механическая характеристика линейного асинхронного двигателя имеет вид зависимости усилия подачи от скорости перемещения F=f(v) ) схожий с механической характеристикой асинхронного двигателя вращательного действия [3].
Для расчета конструктивных параметров двигателя необходимо определить его предельные технологические характеристики. Основными характеристиками линейного двигателя является максимальное развиваемое усилие и минимальная скорость подачи рабочего органа.
Максимальное развиваемое усилие должно соответствовать уровню современной буровой техники [2].
Наибольшее применение для бурения взрывных скважин на карьерах нашли буровые станки типа СБШ-250. Привод подачи современных буровых станков СБШ-250 МНА-32 способен развивать усилие подачи до 340 кН. Однако реальные технические условия при бурении сложноструктурных, трещиноватых и абразивных горных массивов дают возможность бурить при усилии подачи рабочего органа немногим более 200 кН.
Минимальная линейная скорость двигателя в точке B должна соответствовать скорости подачи рабочего органа при бурении наиболее крепких пород с максимальным усилием подачи при условии рационального применения шарошечного бурения. Шарошечное бурение применяют при крепости пород до 14 по шкале Протодьяконова. В условиях Нефелинового рудника ОАО «РУСАЛ» шарошечное бурения применяется при крепости до 16 с пропластками до 18 по шкале Протодьяконова. Принимаем максимальнцую крепость породы при условии рационального применения шарошечного бурения 16 по шкале протодьяконова. В переводе на показатель буримости это значение приблизительно соответствует Пб = 20
Скорость бурения можно найти из уравнения [4]
v =
40Рос ■ Пвр
П б ■ D
, м/ч
где Рос - осевое усилие, МН, пвр частота вращения бурового става, с-1, D' - диаметр долота, м; П - показатель буримости.
При усилии подачи 300 кН, среднем значении частоты вращения бурового става 1,5 об/с, показателе буримости 20 и диаметре шарошечного долота 244,5 мм, скорость бурения составит приблизительно v^” = 15,1 м/ч.
Экспериментальные исследования показали, что двигатель, мощностью 37,2 кВА, имеющий пар полюсов рст = 4, развивает скорость подачи при максимальном усилии v^™1 = 17 см/с. При этом скорость бурения 15,1 м/ч соответствует значению v^” 0,42 см/с. Таким образом скорость линейного двигателя необходимо уменьшить в v^™1/ v^” = 17/0,42 = 40 раз.
При проектировании асинхронного электродвигателя уменьшить его рабочую скорость можно увеличив число пар полюсов
[5, 6].
v0 ~ l ■
, (1) где v0 - скорость ротора линейного двигателя в холостом режиме; l - длина статора линейного двигателя, м; f - частота напряжения сети, Гц; p - число пар полюсов статора.
Таким образом, ориентировочное количество обмоток статора будет равно
По6м
Г,
v„
ст min v /Г
■ i = 4■40■3 = 480
(2)
где рст - число пар полюсов двигателя исследовательского стенда, v^™1 - скорость подачи при максимальном усилии двигателя исследовательского стенда, см/с; v^” - скорость подачи рабочего органа при бурении наиболее крепких пород, см/с; i -количество обмоток, соответствующих одной паре полюсов, для трехфазного двигателя i = 3.
Линейный двигатель лабораторного стенда [6] при наличии ферромагнитного магнитопровода будет развивать максимальное усилие:
R
Р = Р —Ь* 2 1 R
2 m
= 270 ■ 97,072 = 26209 Н
При увеличении числа пар полюсов изменяется также максимальное и номинальное усилие подачи линейного двигателя. Электромагнитный момент асинхронной машины вращательного действия находится из следующего соотношения
135
3
M = C-Ф-12 ■ cos^2
3
72
^2 ■ к2 ■ P Ф■ 72 ■ C0s^2.
(3)
где C - конструктивный коэффициент; Ф - результирующее магнитное поле в машине; I2 - ток в обмотке ротора; у - сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора; w2 и к2 - соответственно число витков и обмоточный коэффициент обмотки ротора.
Из выражения (3) видно, что электромагнитный момент асинхронной машины находится в прямой зависимости от числа пар полюсов. Таким образом для асинхронной машины можно записать выражение
F
3
72
^2 ■ к2 ■ P ф■ 12 ■ Cos^2.
(4)
С учетом выражения (4) линейный двигатель, мощностью 37,2 кВт, имеющий число пар полюсов
v min
рде1 = рст -m- = 4 ■ 40 = 160
Jr ое1 -t ст -..min V6
, будет создавать максимальное усилие подачи:
R V mm
Рде1 = P ■-m- = 270 ■ 97,072 ■ 40 = 1048378 Н
2 1 Г> ,,min ’
R2m V6
Таким образом, расчетная мощность линейного асинхронного двигателя на рабочее напряжение 380 В механизма подачи бурового станка, создающего максимальное усилие Рподбст = 300 кН при минимальной рабочей скорости v^” = 15,1 м/ч, составит:
N
б.ст
расч
N
P
б. ст под
Р
де1
:37,2
300000
1048378
10,65 кВт
2 . (5)
Полученная в выражении (5) мощность является активной. При проведении экспериментальных исследований было выяснено, что в случае применения ферромагнитного магнитопровода, величина тока с учетом индуктивного сопротивления оказывалась приблизительно в 2,5 раза ниже значения, рассчитанного через активное сопротивление.
В случае двигателя без ферромагнитного магнитопровода полная и активная мощности приблизительно равны, поскольку индуктивное сопротивление близко к нулю.
С учетом значительных и часто повторяющихся перегрузок при бурении сложноструктурных горных массивов, выражающихся в колебании величины тока в обмотках статора, принимаем ориентировочный коэффициент запаса мощности электромагнитного привода подачи кзап.мощ = 2. Коэффициент запаса мощности электромагнитного привода подачи выражается в увеличении сечения провода обмоток двигателя.
Расчет обмоток двигателя на напряжение 380 В
Ориентировочная мощность одной кольцевой обмотки статора линейного двигателя, общей мощностью с учетом ориентировочного коэффициента запаса мощности 22 кВт, с рабочим напряжением 380 В и количеством обмоток Пдбм = 480, находится из следующего выражения
N = 22000
V обм
n
обм
480
= 45,8 Вт
С учетом запаса мощности принимаем ориентировочный допустимый номинальный ток 1ном = 3,5 А. Согласно каталогу стандартных намоточных проводов с допустимым номинальным током 3,6 А принимаем намоточный провод диаметром медной жилы 1,32 мм, площадью сечения медной жилы 1,362, сопротивлением одного метра провода, при 20 °С - 0,0129 Ом/м.
Для работы обмоток с допустимым значением номинального тока, их необходимо объединить в секции с последовательным соединением обмоток. Ориентировочное количество обмоток в секции из расчета на одну фазу находится из следующего выражения:
3,6 ■ 380
n
„сек.1
обм
^ном U ном
N.
обм
45,8
= 30
Из расчета на 3 фазы, ориентировочное количество обмоток одной секции составляет Отсюда ориентировочное количество секций двигателя:
сек.3 .сек.1
По6м = n
обм
■ 3 = 30 ■ 3 = 90
n
ор ______
сек.дв
n
обм
секз
обм
480
90
= 5,33
Принимаем количество секций двигателя псекдв = 5. Тогда количество обмоток одной секции из расчета на 3 фазы составит:
n
, сек.3
обм
n
обм
n
480
5
96
сек.дв
Количество обмоток одной секции из расчета на 1 фазу составит: , сек.3
„сек.1 По6м =
n
обм
3
96
= — = 32 3
136
Отсюда, мощность одной обмотки составит:
N
1 ном.доп U н
обм
П
„сек.1
обм
3,6 • 380 32
= 42,75 Вт
Тогда проектная мощность линейного асинхронного двигателя на рабочее напряжение 380 В механизма подачи бурового станка, создающего максимальное усилие Pin,/.” = 300 кН при минимальной рабочей скорости vgmm = 15,1 м/ч, с учетом коэффициента запаса мощности составит:
д тб.ст ' под.пр
= No6M • Побм = 42,75 • 480 = 20520 Вт
При этом коэффициент запаса мощности составит:
k
зап .мощ
N
б .ст под .пр
N
б.ст
расч
20520
10650
1,93
Поскольку схема соединения секций параллельная, необходимо увеличить сопротивление каждой секции в 5 раз. Таким образом, длину провода одной обмотки можно определить из следующего выражения:
l
обм
5R
„сек.1 Побм
Р\,32
5 • 42,22 32 • 0,0129
= 511 м
Для рационального использования обмоточного провода двигатели большой мощности как правило запитывают от источников электропитания высокого напряжения.
Наиболее рационально использовать дизель-генератор с трехфазным номинальным линейным напряжением 660 В и фазным напряжением 380 В на необходимую мощность для работы всех двигателей бурового станка. Такой дизель-электрический агрегат позволит наиболее экономично эксплуатировать электрические машины большой мощности и при этом подключать менее мощные электродвигатели на напряжение 380 В. Данным требованиям удовлетворяет синхронный генератор СГД-85/36-4В с трехфазным номинальным линейным напряжением 660 В и фазным напряжением 380 В и номинальной активной мощностью 630 кВт.
Расчет обмоток двигателя на напряжение 660 В
При расчете двигателя на напряжение 660 В необходимо определить длину секции обмоток, включенных последовательно на данное напряжение и рассчитать количество секций.
Ориентировочная мощность одной кольцевой обмотки статора линейного двигателя, общей мощностью с учетом ориентировочного коэффициента запаса мощности 22 кВт, с рабочим напряжением 660 В и количеством обмоток Побм = 480, находится из следующего выражения
N
обм
лтб .ст
расч .з
Побм
22000
480
= 45,8 Вт
С учетом запаса мощности принимаем ориентировочный допустимый номинальный ток 1ном = 3,5 А. Согласно каталогу стандартных намоточных проводов с допустимым номинальным током 3,6 А принимаем намоточный провод диаметром медной жилы 1,32 мм, площадью сечения медной жилы 1,362, сопротивлением одного метра провода, при 20 °С - 0,0129 Ом/м.
Для работы обмоток с допустимым значением номинального тока, их необходимо объединить в секции с последовательным соединением обмоток. Ориентировочное количество обмоток в секции из расчета на одну фазу находится из следующего выражения:
псек1
обм
1 ном U ном
N
обм
3,6 • 660 45,8
Из расчета на 3 фазы, ориентировочное количество обмоток одной секции составляет Отсюда ориентировочное количество секций двигателя:
П
ор
сек.дв
Побм
псек3
обм
480
156
= 3,1
п
сек.Ъ
обм
= пом • 3 = 52 • 3 = 156
Принимаем количество секций двигателя псек.дв
Псек3
побм
побм
п Л
сек.дв
480
= 160
3. Тогда количество обмоток одной секции из расчета на 3 фазы составит:
Количество обмоток одной секции из расчета на 1 фазу составит:
„„ сек.1 побм
сек.3 t
побм_ = 160 к 54
3 3
Тогда уточненное количество обмоток двигателя
п б = псМ • п д • 3 = 54 • 3 • 3 = 486
обм обм сек.дв
Отсюда, мощность одной обмотки составит:
N ______ ^ном.доп Uном
1V обм
п
сек.1
обм
3,6 • 660
54
= 44 Вт
137
Тогда проектная мощность линейного асинхронного двигателя на рабочее напряжение 660 В механизма подачи бурового станка, создающего максимальное усилие Рподбст = 300 кН при минимальной рабочей скорости vgmm = 15,1 м/ч (точка B, рис. 23), с учетом коэффициента запаса мощности составит:
N6nZP = No6M • побм = 44 • 486 = 21384 Вт.
При этом коэффициент запаса мощности составит:
гб .ст
k„
N
под.пр
зап. мощ
N
б.ст
расч
21384
10650
= 2,01
Поскольку схема соединения секций параллельная, необходимо увеличить сопротивление каждой секции в 3 раза. Таким образом, длину провода одной обмотки можно определить из следующего выражения:
3•R 3•44
U. =--------= 3 44 = 189,5 м
обм
п
_сек.1
обм
• А.
32
54 • 0,0129
Внешний диаметр обмотки можно найти из выражения:
D
1'обм^' провкзап ^ 4 Denym ^ k3
Ж
4
•§• к
где Sпров - сечение медной жилы обмоточного провода, мм2; кзап - коэффициент заполнения обмотки с учетом изоляционных материалов; 5 - размер обмотки вдоль оси бурового става, мм; Dj,^ - внутренний диаметр обмотки, DeHym = Вбст-2Лобм, где D6.ct -диаметр бурового става, для СБШ-250 D6.ct = 215 мм, Добм - зазор между кольцевой обмоткой и стенкой бурового става, Добм = 10 мм.
D .. =
189500 • 1,362 • 2 + Ж • 2352 • 5 • 2 4
= 348 мм
Ж
• 5 • 2
Таким образом, размер статора асинхронного линейного двигателя подачи рабочего органа бурового станка составит.
При этом основной задачей создания электромагнитного привода подачи бурового органа является своевременное реагирование на изменение свойств горной породы. Электромагнитный привод реагирует на увеличение или уменьшение показателя буримости соответственным изменением величины тока в обмотке статора. Т.е. точка рабочего режима двигателя будет перемещаться по механической характеристике. Время такой адаптивной реакции будет характеризоваться периодом переходных электромагнитных процессов, что равняется десятым долям секунды [8]. Изменение тока в обмотке двигателя должно быть учтено при проектировании электрической машины.
Кроме того, данный механизм подачи рабочего органа позволяет легко автоматизировать процесс в случае длительных перегрузок. Изменение тока будет фиксироваться напрямую с обмотки двигателя. В автоматическом режиме, согласно заложенной в контроллере функции, режим бурения будет изменен. 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) при помощи преобразователя частоты; 2) понижением напряжения - для экстренного снижения величины ударных нагрузок; 3) комплексное использование обоих способов для получения оптимальных режимов.
Выводы:
1. Применение адаптивного механизма подачи на основе линейного трехфазного асинхронного двигателя с массивным ротором возможно на базе существующих буровых станков, запитанных от трехфазной электрической сети;
2. Линейный трехфазный асинхронный двигатель с массивным ротором способен обеспечить требуемое усилие подачи с приемлемым значением потребляемой мощности;
3. Адаптивный привод подачи способен своевременно реагировать на резкие изменения свойств горных пород перемещением точки рабочего режима по механической характеристике асинхронной машины, при соответственном изменении величины тока в обмотке двигателя;
4. Применение в качестве системы подачи линейного электромагнитного двигателя позволяет получать информацию об изменениях физико-механических свойств породы, измеряя величину тока в обмотке двигателя;
5. В случае длительных перегрузок в автоматическом режиме, согласно заложенной в контроллере функции режим бурения может быть изменен.
Литература
1. А.О. Шигин Принципы построения функциональных схем электромагнитных двигателей линейного действия // Технология машиностроения. - М: изд. центр Технология машиностроения. - № 3, 2012. - С. 25 - 29.
2. Проектирование рабочих органов и режимных параметров буровых станков для сложноструктурных горных массивов / Гилев А.В., Шигин А.О. Буткин В.Д., Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. - 312 с.
3. Теория рабочего процесса электромагнитного привода вращательно-подающего механизма бурового станка при бурении сложноструктурных горных массивов / Гилев А.В., Шигин А.О., Фундаментальные исследования № 9 (часть 2). - Москва: изд. Российская академия естествознания. - 2012, С. 375-380.
4. Подэрни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ: Учебное пособие. - 4-е изд. - М.: изд-во МГГУ. 2001. -422 с.
138
5. Исследование режимов работы электромагнитного привода подачи бурового станка / Шигин А.О., Гилев А.В., Известия вузов. Горный журнал. - Екатеринбург: изд. ФГБОУ ВПО "Уральский государственный горный университет". - № 4, 2013. - С. 101-111.
6. Расчетно-экспериментальное построение механических характеристик электромагнитного привода подачи бурового станка / Шигин А.О., Гилев А.В., Вестник Иркутского Государственного Технического Университета, № 4, 2013. - С. 50 - 57.
7. Расчет и обоснование режимных параметров электромагнитного механизма подачи рабочего органа бурового станка / Шигин А.О., Гилев А.В., Известия вузов. Горный журнал. - Екатеринбург: изд. ФГБОУ ВПО "Уральский государственный горный университет". № 1, 2013. - С. 84-89.
8. Электрические машины: Машины переменного тока / А.И. Вольдек, Д.А. Попов. - СПб.: Высш. шк.; Питер, 2007. - 350 с.
139
