Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ состояния вопроса и постановка задачи работы 7
I.I.Анализ способов управления водо-воздушным режимом отсадочных машин 7
1.2. Анализ датчиков разрыхленности отсадочной постели 14
1.3.Анализ систем регулирования водо-воздушного режима 24
1.4.Основные выводы и постановка задачи работы... 31
ГЛАВА II. Исследование водо-воздушного режима отсадочных машин как объекта"автоматического регулирования.. 33
2.1.Выбор критерия оценки степени разрыхленности отсадочной постели 33
2.2. Методика экспериментальной проверки разработанного критерия оценки степени разрыхленности отсадочной постели по максимальной скорости восходящего потока 40
2.3 .Статическая модель объекта 47
2.4.Динамические свойства объекта 60
2.5.Выводы 72
ГЛАВА III. Разработка системы автоматического регулирования водо-воздушного режима 74
3.I.Разработка структурной схемы системы 74
3.2.Синтез системы 85
3.3. Анализ результатов синтеза системы 104
3.4.Выводы 115
ГЛАВА ІV . Разработка технических средств дяя реализации разработанной системы 118
4.1 .Разработка датчика разрыхленности 118
4.1 Л .Расчет поплавка 132
4.2. Разработка преобразовательного блока 140
4.3.Разработка исполнительного органа 154
4.4.Выводы 155
ГЛАВА V. Описание промышленного образца разработанной системы и результаты его испытания 158
5.I.Промышленный образец системы 158
5.І.І.Приборная база, компановка и раз мещение системы 160
5.1.2.Описание принципиальной схемы системы 165
5.2.Технологические и экономические результаты применения разработанной системы . 169
5.3.Выводы 172
Заключение 173
Литература
- Анализ датчиков разрыхленности отсадочной постели
- Методика экспериментальной проверки разработанного критерия оценки степени разрыхленности отсадочной постели по максимальной скорости восходящего потока
- Анализ результатов синтеза системы
- Разработка преобразовательного блока
Введение к работе
В принятых ШТ съездом КПСС основных направлениях экономического и социального развития 0GGP на I98I-I985 г.г. и на период до 1990 года отмечена необходимость дальнейшего развития угольной промышленности за счет широкого внедрения автоматизированных средств добычи угля.
Увеличение степени механизации работ по добыче угля влечет за собой увеличение доли мелких классов и минеральных примесей в добываемой горной массе. Этим обуславливается непрерывное повышение роли углеобогащения.
Выход класса 13 мм из поступающих на обогатительное предприятие рядовых углей составляет 60-70 %, а по отдельным бассейнам достигает 75-80 %, около 80 % этого класса обогащав ется гидравлической отсадкой / 1,2 /. Предпочтение процессу отсадки отдается прежде всего из-за его высокой экономичности. В таблице BI (приложение I) приведены сравнительные данные затрат на I тонну перерабатываемого угля для наиболее распространенных на углеобогатительных предприятиях методов обогащения угля. Из анализа приведенных данных следует, что отсадка по экономическим показателям значительно превосходит другие методы обогащения.
Высокая экономическая эффективность процесса отсадки сочетается с высокой производительностью единицы технологического оборудования. В настоящее время на обогатительных предприятиях внедряются отсадочные машины Ш-24, перерабатывающие до 600 тонн угля в час.
Ш качеству разделения исходного материала отсадочные машины уступают только тяжелосредным установкам.
Ба сегодняшний день найдены оптимальные варианты конструк-ций отсадочных машин, о чем свидетельствует тот факт, что машины основных угледобывающих стран практически не отличаются друг от друга в части конструкций основных узлов (форма и расположение воздушных отделений, конструкции решета, разгрузчиков и т.д.). В СССР это машины параметрического ряда ОМ, в ФРГ - машина Batac , в Японии - машина Таси.8 и т.д.
Все эти машины обладают большими потенциальными возможностями, реализация которых затруднена, потому что работают машины на обогатительных предприятиях в условиях существенных колебаний характеристик исходного угля: изменение фракционного состава (таблица В2, приложение I), нагрузки на отсадочную машину (рис.ВІ, приложение 2) и ряда других возмущающих воздействий.
Чтобы компенсировать эти возмущения необходимо автоматизировать работу отсадочной машины. Оператор без автоматики не в состоянии обеспечить необходимые условия разделения, так как колебания характеристик исходного угля имеют высокочастотный спектр.
Условия разделения обогащаемого материала по плотностям определяются параметрами водо-воздушного режима процесса отсадки.
Важность проблемы создания системы автоматической стабилизации параметров водо-воздушного режима на заданном уровне подтверждается многочисленными работами ведущих специалистов в области углеобогащения: Виноградова Н.Н.,Рафалес-Ламарка Э.Э., Самылина Н.А., Нмачкова Н.А., Бунько В.А., Марюты А.Н., Власова К.П., Синепольского B.C., Лазорина А.И., Гурвича Г.М., Лехциера Л.Р., Кикося К.К., Geozges Vztgnaud, Ha/isStezn и др.
/2, З, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, II, 12, ІЗ, 14, 30/ , но сложность решаемой задачи до настоящего времени не позволила создать эффективную промышленную систему для этой цели (это будет показано в обзоре).
Таким образом, проблема создания промышленной эффективной системы автоматического регулирования водо-воздушного режима процесса отсадки является актуальной и пока не решенной задачей»
Настоящая работа посвящена решению задачи создания промышленной системы автоматического регулирования водо-воздушного режима процесса отсадки.
В работе на основании анализа механизма разделения обогащаемого материала по плотностям в отсадочной машине выбран эффективный критерий оценки разрыхленносги отсадочной постели (обобщающий параметр, характеризующий водо-воздушный режим процесса отсадки), исследованы динамические свойства канала регулирования, выбраны управляющие воздействия и определены основные возмущения. Разработан способ автомагического регулирования водо-воздушного режима процесса отсадки и система, реализующая этот способ. Разработаны и переданы в промышленное производство технические средства, необходимые для реализации разработанной системы. Создан и испытан в составе комплекса 0KA-I промышленный образец разработанной системы. Серийное производство системы начато Быковским экспериментальным завсн дом средств автоматики ШО "Союзуглеавтоматика" в 1983 году.
Работа выполнена в Ворошиловградском филиале института Гипроуглеавтоматизация согласно отраслевому плану Министерства угольной промышленности СССР.
Анализ датчиков разрыхленности отсадочной постели
Известные датчики разрыхленности отсадочной постели могут быть объединены в несколько групп по используемым параметрам, имеющих, по мнению авторов, тесную корреляционную связь с разрыхленное тью госгели.
Первая группа: датчики, использующие связь разрыхленности с давлением, оказываемым слоем постели на чувствительный эле- мент датчика.
Вторая группа: датчики, использующие связь разрыхленности с амплитудой колебаний отсадочной постели.
Третья группа: датчики, использующие связь разрыхленности с силой поверхностного сопротивления отсадочной постели перемещению в ней тел.
Четвертая группа: датчики, использующие связь разрыхленности с физическими свойствами пульсирующей среды (электрическое сопротивление, способность поглощать радиоактивное излучение).
Рассмотрим датчики первой группы. Известен датчик гидра- влического сопротивления постели /27/, чувствительным элементом которого служат две пьезометрические трубки. Одна трубка опущена под решето, а нижний срез второй выступает на 250 мм над решетом, дифференциальный манометр измеряет перепад давления воды в трубках, по величине которого оценивается степень разрыхленности отсадочной постели. Однако, в связи с неоднозначностью зависимости разрыхленности от перепада давления, этот датчик не получил распространения. Перепад давления определяется плотностью пульсирующей среды отсадочной машины, а плотность в свою очередь зависит от фракционного состава исходного угля. Поэтому одному и тому же значению разрыхленноети при изменении фракционного состава соответствуют разные значения перепада давления.
Кроме этого, существенное возмущение в измерение вносит изменение нагрузки на отсадочную машину, поскольку при этом меняется высота постели и следовательно нижний срез трубки, установленной над решетом, будет находиться в слоях разной . плотности. .Дифференциальный манометр датчика в этом случае измеряет перепад давления неконтролируемой части постели и получаемая информация теряет достоверность.
Известны датчики давления мембранного типа /2,30/.
Конструкция такого датчика представлена на рис.1.1. Составными частями датчика являются: индукционная катушка I, мембрана 2, связанная со штоком 3, на котором укреплен магнитный сердечник 4, расположенный внутри индукционной катушки.
Явление постели и жидкости, воздействуя на мембрану датчика, вызывает перемещение магнитного сердечника. Бри этом в индукционной катушке наводится электродвижущая сила, величина которой зависит от величины прикладываемого к мембране давления.
Для того, чтобы датчик измерял давление одного и того же слоя постели, было разработано несколько его вариантов. По одному из них /31/ индукционный датчик снабжался следящей системой, получающей информацию о положении контролируемого слоя постели с датчика высоты постели и воздействующей на положение индукционного датчика с помощью исполнительного механизма.
По второму варианту индукционный датчик помещался непо Рис.1.1.Датчик давления мембранного типа средственно в поплавок датчика высоты постели /32/, что позволяет исключить следящую систему.
Эти решения помогают отстроиться от дрейфа высоты постели, но не устраняют основного недостатка датчика, заключающегося в воздействии на мембрану переменной по величине, зависящей от нагрузки по исходному углю горизонтальной составляющей движения угля по отсадочной машине.
Рассмотрим датчики второй группы. Устройство /25/ представляет собой датчик, измерительным элементом которого является поплавок, кинематически связанный с сельсинным преобразователем, работающим в трансформаторном режиме. Сигнал с преобразователя пропорциональный текущему значению высоты контролируемого слоя постели поступает в измерительный блок устройства, который формирует сигнал пропорциональный разности сигналов, соответствующих максимальному взвешиванию постели и ее уплотнению (размаху колебаний) в каждом колебательном цикле.
Устройство /33/ содержит поплавок, кинематически связанный с индуктивным датчиком. Оба выхода датчика подключены к суммирующей схеме с двумя ячейками памяти на емкостях. Одна ячейка памяти "запоминает" высоту уплотненного слоя, вторая -высоту взвешенного слоя. На выходе суммирующей схемы получим сигнал, равный размаху колебаний. Благодаря схеме формирования импульсов управления разрядными цепями ячеек памяти, с началом каждого колебательного цикла происходит сброс информации и "запоминание" новой.
Методика экспериментальной проверки разработанного критерия оценки степени разрыхленности отсадочной постели по максимальной скорости восходящего потока
Оценка эффективности разработанного критерия проводилась на отсадочных машинах 0М-І2 ЦОФ "Сибирь" ПО "Ювдзбассуголь", обогащающих смесь углей марок "К" и "Г" (38 % и 62 % соответственно) крупностью 0,5-13 мм и оснащенных роторными разгрузчиками.
В процессе практической эксплуатации отсадочных машин установлено, что основными возмущающими воздействиями, влияющими на степень разрыхления Q являются: 1. Нагрузка по исходному углю QLU и тесно коррелированная с ней высота отсадочной постели Нп . 2. Расход сжатого воздуха, подаваемого в отсадочную машину QLB . 3. Расход Q/ів. и плотность jOjc оборотной воды. 4. Частота колебаний постели /2 . В процессе проведения эксперимента параметры Нп, Qin.a.,pic И ҐІ поддерживались постоянными.
Высота постели Нп стабилизировалась на заданном уровне с помощью регулятора РСБ, расход подрешетной воды Qne. - с помощью дистанционно управляемой заслонки, установленной на трубопроводе подрешетной воды.
Отсадочные машины были оснащены роторными пульсаторами с регулятором дискретного изменения частоты колебаний ҐІ . В процессе эксперимента частота была равна /2 = 0,9 1ц.
Не шлея возможности стабилизировать плотность оборотной воды Oojc $ эксперимент многократно повторялся и из полученных реализаций выбирался участок необходимой временной протяженности с постоянным значением Р ь .
Нагрузка по исходному углю Qu не стабилизировалась, а только контролировалась. Благодаря этому, дополнительно проверялась инвариантность критерия по отношению к этому параметру, В период эксперимента нагрузка Qu колебалась в диапазоне (50-100 %)Qu.
Контроль параметра Qu осуществлялся специально разработанным датчиком, поплавок которого, кинематически связанный с бесконтактным сельсином, скользил по поверхности материала, загружаемого в отсадочную машину. Таким образом, изменение нагрузки преобразовывалось в изменение угла поворота ротора сельсина. V focx , max осуществлялся также специально разработан ным датчиком индукционного типа, поплавок которого, кинемати чески связанный с постоянным магнитом, устанавливался на зер кале воды отсадочной машины. Колебания поплавка, синхронные с колебаниями пульсирующей среды, посредством кинематических связей передавались постоянному магниту, который наводил э.д.с. в обмотке датчика пропорциональную скоростному циклу пульсирующей среды.
Сигналы пропорциональные параметрам Нп, Qu,Vmax регистрировались на ленте самопишущего прибора Н320-3.
В связи с тем, что определению непосредственно характеристики vJax -f (о) препятствуют значительные погрешности, связанные с трудностью измерения разрыхленности отсадочной постели С7 , эффективность критерия определялась путем срав нения постоянства и уровня качества конечных продуктов отсадки V Socx .. ..... . max Для этого отбирались пробы исходного угля и всех трех продуктов (породы, промпродукта и концентрата) с учетом транспортного запаздывания. Пробы отбирались с интервалом в шесть \/6осх минут. Величина У max стабилизировалась путем изменения расхода сжатого воздуха Qe . Длительность одной реализации принималась равной 40 минутам. Определялось это время исходя из расчета спектральных плотностей основных возмущений (раздел 2.4) и по рекомендациям, данным в работе /38/. Tp ig . (2.8) где 00 - нижняя частота имеющего место спектра возмущений. Тр - длительность реализации. В данном случае ОО = 0,022 /с.
В таблицах 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 приведены результаты расслоения проб исходного угля и конечных продуктов отсадки, отобранных в тот период, когда параметр у max не стабилизировался.
Анализ результатов синтеза системы
В результате исследований механизма разрыхления обогащаемого ттериала в отсадочной машине, изложенных во П главе настоящей работы, установлено, что обобщающим параметром, характеризующим водо-воздушный режим процесса отсадки, является V Socx max
Для измерения этого параметра было разработано устройство, включающее в себя индукционный датчик разрыхленности поплавкового типа и преобразовательный блок.
Датчик разрыхленности контролирует скоростной цикл пульсирующей среды отсадочной машины и формирует сигнал пропорциональный этому параметру. Преобразовательный блок обрабатывает полученный сигнал и на выходе выдает сигнал пропорциональный либо усредненному значению v max 9 либо значению этого параметра в каждом колебательном цикле. V rioCX max обеспечивает ввод в систему динамического переключающего сигнала, направленного на компенсацию асимметрии динамики объекта регулирования.
Разработка датчика разрыхленности
Для измерения скоростного цикла пульсирующей среды отсадочной машины в датчике разрыхленности использован закон электромагнитной индукции Фарадея, согласно которому /54/ электродвижущая сила (э.д.с.) электромагнитной индукции в контуре численно равна скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.
Для случая, когда в качестве контура выступает обмотка с числом витков Ws , а скорость движения проводников обмотки 17п/ . перпендикулярна вектору магнитной индукции В, величина э.д.с. электромагнитной индукции равна \&с\ --іТпр-5-іпР. & (4.1) где г пр. - длина витка, пересекающего силовые линии магнитного поля. Вели В,спр a We являются величинами постоянными, то, обоз -начив их произведение через коэффициент Із , можно переписать выражение для э.д.с. в следующем виде: 6 І -hlTnp. (4.2) т.е. Э.Д.С. пропорциональна скорости движения витков обмотки относительно магнитного поля или, принимая во внимание обратимость задачи, движения магнитного поля относительно витков обмотки.
Описанный способ измерения скоростного цикла пульсирующей среды использован при разработке двух вариантов датчика разрыхпенности. Один для работы на отсадочных машинах, характеризующихся малой амплитудой колебаний (до 80 мм) и небольшим изменением уровня воды (до 150 мм). Второй для работы с отсадочными машинами, характеризующихся большой амплитудой колебаний (до 150 мм) и значительным изменением уровня воды (до 300 мм).
Кинематическая схема первого варианта датчика представлена на рис.4.1. Датчик состоит из поплавка I, отслеживающего колебания пульсирующей среды отсадочной машины, на жестко связанном с поплавком штоке 2 закреплен постоянный магнит 3. Шток перемещается в направляющих из шарикоподшипников 4. Вдоль штока, на равном расстоянии от магнита (одна от его северного, а другая от южного полюсов), установлены две обмотки 5. Принцип работы датчика заключается в следующем. Поплавок I, колеблясь синхронно с водой отсадочной машины, посредством штока 2 передает эти колебания постоянному магниту 3, который в свою очередь наводит в обмотках 5 э.д.с. пропорциональную скорости этих колебаний.
На рис.4.2 представлена конструкция второго варианта датчика, который состоит из поплавка I, штока 2, фиксирующего механизма 3, штанги 4, рейки 5, шестерни 6, индукционного датчика 7, кареток 8.
Датчик работает следующим образом. Поплавок I, колеблясь синхронно с водой, сообщает штоку 2 и через фиксирующий механизм 3 штанге 4 вертикальное перемещение, которое через рейку 5, закрепленную на штанге 4, и шестерню 6 преобразуется во вращательное движение оси индукционного датчика 7.
Индукционный датчик, конструкция которого представлена на рис.4.3, состоит из оси I, планки 2, постоянных магнитов 3, обмоток 4, платы 5, корпуса 6. Приводимая во вращение ось I индуїщионного датчика, вращает планку 2 с постоянными магнитами 3, которые перемещаясь относительно обмоток 4, наводят в их витках э.д.с. пропорциональную скоростному циклу пульсирующей среды. Выводы обмоток подключены к плате 5.
Разработка преобразовательного блока
Промышленные образцы разработанной системы (шесть комплектов) в составе комплекса 0KA-I проходили испытания/65/ на ЦОФ "Сибирь" производственного объединения "Южкузбассуголь" (при- ложение 6). Образцы были смонтированы на первой секции фабрики, оснащенной двумя отсадочными машинами ОМ-12, обогащающими смесь углей марки "К" и "Г" (38 % и 62 % соответственно).
Оценка технологической эффективности внедрения разработанной системы проводилась по специально разработанной методике (приложение 7). В связи с многофункциональностью комплекса 0KA-I, в составе которого испытывалась разработанная система, для определения эффективности последней сравнивались два варианта работы отсадочных машин первой секции ЦОФ "Сибирь": 1. Работа отсадочных машин при автоматической стабилизации высоты отсадочной постели, заданной оператором. 2. Работа отсадочных машин при автоматической стабилизации высоты отсадочной постели и ее разрыхленное ти, заданных оператором. Испытания обоих вариантов проводились в сопоставимых условиях.
Шраллельно с этим в обоих случаях на ленте самопишущего прибора H32G-I регистрировалось (рис.5.6, 5.7) изменение пара метра V /пах (обобщающий критерий оценки степени разрыхленности отсадочной постели). Рассчитанная известными методами /6/ дис-персия параметра У max для первого варианта работы отсадочных машин , а для второго
В результате испытаний установлено, что применение разработанной системы обеспечивает увеличение выхода концентрата на 0,3 %, что в условиях ЦОФ "Сибирь" позволило получить годовой экономический эффект в сумме 79,7 тыс.руб. (приложение 7).
По результатам испытаний приемочная комиссия рекомендовала разработанную систему и комплекс в целом к присвоению им высшей категории качества, по которой они и выпускаются в настоящее время серийно.
Промышленные образцы системы в составе комплекса 0КА-І внедрены также на второй секции отсадочных машин ЦОФ "Сибирь" (приложение 8) и по двум секциям ЦОФ "Комсомольская" ПО "Донецк-углеобогащение" (приложение 9).
Годовой экономический эффект от внедрения комплекса 0КА-І на ЦОФ "Сибирь" составил 321,4 тыс.руб.(приложение 10), а на ЦОФ "Комсомольская" - 264,1 тыс.руб.(приложение II). 1. Разработанная система доведена до стадии установившегося серийного производства. 2. Система реализована на современных приборах электрической ветви ГСП. 3. Разработанная система автоматического регулирования водо-воздушного режима позволяет существенно снизить дисперсию регулируемого параметра ( V /пах ), что в свою очередь приводит к снижению дисперсии качества конечных продуктов отсадки и обеспечивает получение значительного экономического эффекта.
Доведенные теоретические и экспериментальные исследования процесса отсадки в части оценки степени влияния характера водо-воздушного режима на эффективность данного процесса позволяют сделать следующие выводы:
1. Обобщающим параметром, однозначно характеризующим водо-воздушный режим, является максимальная скорость восходя V Bocx max пульсирующей среды о тс ад оч ной машины.
2. Канал регулирования 0 по статическим свойствам представляет собой объект с тремя входами (расход сжатого воз духа ив , высота отсадочной постели Нп , частота колебаний Л ) И ОДНИМ ВЫХОДОМ ( V max ).
3. Динамика объекта регулирования обладает явно выраженной асимметрией, заключающейся в изменении постоянной времени объекта при изменении знака управляющего воздействия. Величины постоянных времени зависят от производительности отсадочных машин и других факторов, но их отношение колеблется незначительно. Для применяемых в настоящее время конструкций отсадоч-ных машин отношение
