Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояния вопроса и задачи исследования 10
1.1 Особенности работы проходческого подъема и основные требования, предъявляемые к приводам передвижных проходческих подъемных установок 10
1.2 Анализ систем приводов проходческих подъемных машин 13
1.3 Перспективы применения безредукторного гидропривода в приводе мобильных проходческих подъемных машин.. 18
1.4 Постановка задачи исследования 21
Выводы по первой главе 22
ГЛАВА 2 Уравнения движения гидравлических и электромеханических систем проходческого подъема 23
2.1 Выбор динамической модели и вывод уравнения движения механической системы одноконцевого проходческого подъема 23
2.2 Составление и анализ дифференциальных уравнений движения безредукторного гидравлического привода проходческого подъема .35
2.3 Составление уравнения движения электромеханического асинхронного привода проходческого подъема 49
Выводы по второй главе 56
ГЛАВА 3 Сравнительный анализ динамических свойств одноконцевого проходческого подъема с гидравлическим и электромеханическим приводами
3.1 Подготовка системы дифференциальных уравнений к решению 58
3.2 Начальные условия движения системы .60
3.3 Исследование влияния конструктивных и динамических параметров подъемных установок на динамические нагрузки системы проходческого подъема с безредукторным гидроприводом .64
3.3.1 Динамические усилия в упругих элементах при изменении удельных утечек и перетечек гидропривода .65
3.3.2 Оценка влияния гидравлической податливости гидролиний .70
3.3.3 Влияние эквивалентного демпфирования гидропривода на динамику проходческого подъема 73
3.3.4 Динамические нагрузки при изменении жесткости валопровода подъемной машины .77
3.3.5 Оценка влияния глубины проходки ствола на динамику
подъемной установки 80
3.3.6 Определение максимальных динамических усилий при изменении величины концевой нагрузки .84
3.3.7 Степень влияния величины вязкого внутреннего трения каната 3.4 Оценка влияния рациональных конструктивных и динамических параметров подъемных установок с безредукторным высокомоментным гидроприводом на динамические нагрузки и производительность проходческого подъема 89
3.5 Влияние колебаний скорости передвижной проходческой подъемной машины на режимы предохранительного торможения 94
3.6 Использование привода передвижных проходческих подъемных установок в режимах предохранительного торможения 98
3.7 Исследование влияния параметров электромеханического асинхронного привода на динамичность системы проходческого подъема .100
Выводы по третьей главе 107
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования одноконцевого проходческого подъема с безредукторным гидравлическим приводом
4.1 Основные задачи комплексного экспериментального исследования динамики передвижных проходческих подъемных установок 109
4.2 Экспериментальная подъемная установка для динамических испытаний приводов 110
4.3 Экспериментальная проверка уравнений движения подъемной установки с безредукторным гидравлическим приводом .113
4.4 Исследования работы гидропривода в рабочих режимах проходческого подъема .118
4.5 Оценка эффективности передвижных проходческих подъемных установок с гидравлическим и асинхронным приводами 124
Выводы по четвертой главе 128
Заключение 131
Список литературы
- Анализ систем приводов проходческих подъемных машин
- Составление и анализ дифференциальных уравнений движения безредукторного гидравлического привода проходческого подъема
- Динамические усилия в упругих элементах при изменении удельных утечек и перетечек гидропривода
- Экспериментальная проверка уравнений движения подъемной установки с безредукторным гидравлическим приводом
Введение к работе
Актуальность работы. Выполнение задач развития топливно-энергетической базы Российской Федерации, намеченные на дальнейшую, будущую перспективу, во многом определяется научно-техническим прогрессом в шахтном строительстве.
Высокие темпы роста добычи полезных ископаемых, залегающих на больших глубинах, могут обеспечиваться главным образом за счет сооружения новых крупных шахт с высокими технико-экономическими показателями.
Основное время в освоении новых шахт занимает проходка вертикальных стволов, на долю которых приходится 25-30 % стоимости и более 40-50 % общего времени строительства.
Скорость проходки стволов в большой степени зависит от правильного выбора, размещения, эксплуатации и эффективной работы проходческих подъемных установок.
Передовая практика шахтного строительства характеризуется широким использованием для проходки стволов специальных передвижных подъемных машин. Применение в настоящее время для проходки одноканатных передвижных подъемных машин типа МПП с асинхронным приводом способствовало снижению трудоемкости по их монтажу более чем в 10-15 раз в сравнении со стационарными подъемными машинами.
Однако применение в настоящее время подъемных машин типа МПП уже не обеспечивает необходимых темпов проходки стволов строящихся шахт. Используемые быстроходные асинхронные электродвигатели в качестве привода подъемных машин требуют применения редуктора, который повышает габариты и массу привода, значительно увеличивает стоимость подъемной машины, а её массу на 30-35 %.
В настоящее время не решена задача создания высокоэффективного компактного, малой массы безредукторного привода одноканатных передвижных проходческих подъемных машин. Решение этой задачи возможно путем применения безредукторного высокомоментного гидравлического привода. Недостаточное внимание к решению данной проблемы является существенным препятствием широкого использования безредукторного гидропривода в приводе передвижных подъемных машин.
Это вызвано, в первую очередь, отсутствием в настоящее время рациональных параметров и методических основ динамического расчета безредук-торного гидропривода передвижных проходческих подъемных установок.
Следовательно, научное обоснование параметров и совершенствование безредукторного гидропривода проходческого подъема с учетом необходимости существенного повышения эффективности и снижения динамичности подъемных установок является актуальной научно-технической задачей.
Целью работы является обоснование и выбор рациональных параметров высокомоментного безредукторного гидравлического привода передвижных
4 проходческих подъемных установок, обеспечивающих повышение производительности проходческого подъема и снижение сроков сооружения вертикальных стволов строящихся шахт.
Идея работы заключается в использовании безредукторного гидравлического привода, обладающего компенсационно-демпфирующими свойствами для снижения динамических нагрузок, возникающих в процессе работы в передвижных проходческих подъемных установках.
Методы научных исследований. Использованы методы численного интегрирования дифференциальных уравнений гидравлических и электромеханических систем; экспериментальные исследования систем безредукторного гидравлического привода на базе промышленной подъемной установки; методы программирования на языке Python.
Научные положения, выносимые на защиту:
Максимальные динамические нагрузи и взаимозависимости основных параметров безредукторного гидропривода проходческого подъема в динамических процессах необходимо определять на основе разработанной математической модели передвижной проходческой подъемной установки, позволяющей устанавливать закономерности протекания динамических нагрузок, способы их снижения и эффективные пути повышения производительности и совершенствования подъемных установок.
Обоснование и выбор рациональных параметров безредукторного гидропривода передвижных проходческих подъемных установок должны производиться путем проведения комплексного анализа закономерностей формирования динамических процессов при варьировании конструктивными параметрами подъемной установки.
Разработку безредукторного гидропривода для передвижных проходческих подъемных установок следует выполнять на основе выявленных рациональных параметров, обеспечивающих минимальную динамичность и повышение производительности системы безредукторный гидравлический привод -передвижная проходческая подъемная машина.
Научная новизна результатов исследований заключается: в разработке математической модели передвижной проходческой подъемной установки с безредукторным гидроприводом, которая рассматривает проходческий подъем как единую электрогидромеханическую систему и комплексно учитывает влияние на величину динамической нагруженности весомого переменной длины канатного тягового органа: переходных электромагнитных процессов в приводном электродвигателе гидросистемы и процессов, происходящих в сливной и напорной гидролиниях и подпиточном устройстве;
в установлении закономерностей протекания динамических процессов в гидромеханической системе проходческого подъема, которые выявляют связь между электрическими, гидравлическими и механическими параметрами подъемной установки с безредукторным гидроприводом и определяют взаимозави-
5 симости между положением вала органа навивки, изменением координаты управляющего элемента гидропривода и моментом нагрузки поднимаемого груза;
в разработке методики динамического анализа проходческого подъема, в неустановившихся режимах разгона, отличающейся тем, что при расчете динамических характеристик и установлении рациональных параметров системы гидропривода, с учетом демпфирования, обусловленного взаимодействием приводов и механических систем, используются методы численного интегрирования нелинейных неоднородных уравнений с переменными коэффициентами, при варьировании на установленных практически уровнях конструктивных и динамических параметров (коэффициентов утечек и перетечек, податливости гидромагистралей валопроводов, коэффициентов эквивалентного демпфирования насоса и гидромотора, высоты подъема, концевой нагрузки и т.д.).
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректным использованием математического моделирования; численными методами расчета, применяемых в теоретической механике и теории электрогидравлических приводов; удовлетворительной сходимостью (в пределах 8-12%) теоретических и экспериментальных исследований подъемных установок.
Практическая значимость работы состоит:
– в разработке методики обоснования рациональных динамических параметров для переходных режимов работы проходческих подъемных установок с безредукторным гидравлическим приводом на основе дифференциальных уравнений и зависимостей;
– в обосновании выбора рационального типа привода для передвижной проходческой подъемной установки.
Личный вклад автора заключается в разработке методики обоснования рациональных динамических параметров проходческого подъема в переходных режимах на основе графических зависимостей; в разработке программного продукта «Динамика мобильных проходческих подъемных установок».
Реализация результатов работы. Разработана и зарегистрирована Федеральным институтом промышленной собственности в Реестре программ для ЭВМ № 2014611900 от 13.02.2014 г. «Динамика мобильных проходческих подъемных установок» для исследования динамических нагрузок в подъемных установках с безредукторным гидравлическим приводом.
Материалы диссертационной работы, а именно «Методика определения рациональных параметров высокомоментных гидроприводов мобильных проходческих подъемных установок» принята к использованию ООО «ВЕЛД» в проектах при разработке новых образцов машин для горного производства.
Основные научные положения и практические рекомендации по расчету и исследованию динамики подъемных установок с безредукторным гидравлическим и электромеханическим асинхронным приводами используются в курсо-
6 вом и дипломном проектировании Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова студентами специальности 21.05.04 «Горное дело» профиля «Горные машины и оборудование» и магистрантами направления 15.04.02 – «Технологические машины и оборудование».
Апробация работы. Основные положения и научные результаты обсуждались на международных научно-технических конференциях: «Неделя горняка» (г. Москва, 2013-2016 гг.), «Теория и практика добычи, обработки и применения природного камня» (г. Екатеринбург, 2012-2016 гг.), «Чтения памяти В.Р. Кубачека «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности» (г. Екатеринбург, 2015 г.), «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2011-2016 гг.); на всероссийской научно-технической конференции: «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных ископаемых. Нефтегазовое и горное дело» (г. Пермь, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, основополагающими по теме диссертации являются 11 работ, из них 4 работы в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 150 страниц машинописного текста, 54 рисунка, 16 таблиц, библиографический список из 54 наименований и 11 приложений.
Анализ систем приводов проходческих подъемных машин
В шахтном строительстве, в период проходки стволов в основном применяются одноканатные передвижные и временные стационарные подъемные машины [1,2], последние из которых мало приспособлены для работы в условиях проходки.
Современная проходка оборудуется крупными и сложными передвижными подъемными машинами, имеющими значительную массу и габариты, маневренность и управляемость которых в большой степени зависит от применяемого для подъемной установки привода [11].
В последнее время в практику проходки глубоких стволов строящихся новых шахт внедряются большегрузные бадьи [12,13] объемом 5,5; 6,5; 8 м3, которые требуют установки значительной мощности привода подъемных установок.
Двигатели проходческих подъемных машин работают в условиях, значительно отличающихся от условий работы стационарных подъемных двигателей. Эти различия заключаются в том, что проходческие подъемные двигатели обслуживают установки с непрерывно меняющейся высотой подъема, с различной грузоподъемностью при различных скоростях подъема.
Проходческая подъемная установка обеспечивает спуск и подъем людей, подъем породы, спуск крепежного материала, взрывчатки, инструментов, оборудования и т. д. При этом скорости движения подъемных сосудов при различных грузах строго регламентируются Правилами безопасности.
Ввиду сравнительно небольших величин концевых нагрузок, не превышающих 150 кН, мощность привода проходческого подъема относительно невелика, и для стволов глубиной порядка 1000-1500 м не превышает величины 1000 кВт. Указанное значение мощности привода проходческого подъема являются областью применения редукторного асинхронного привода с фазным ротором, ко 14 торый имеет следующие достоинства: наименьшая первоначальная стоимость электродвигателя; стабильность подсинхронной скорости на естественной характеристике; высокие КПД при номинальной нагрузке и номинальной скорости; относительная простота устройства; система управления комбинируется из нормализованных стандартных элементов [4].
Однако, хотя асинхронный привод с фазным ротором и имеет исключительное распространение в проходческом подъеме, он далеко не полностью отвечает всем требованиям [2,4].
Приводы этого типа имеют: большие пусковые потери, неэкономичны при работе на сниженных скоростях, обладают низкой управляемостью, чувствительны к колебаниям напряжения в сети, большие габариты и значительную массу не только двигателя, но и пускорегулирующей аппаратуры. Не обеспечивают: поддержание малой скорости при нагрузке ниже номинальной; получение малых двигательных и тормозных моментов, выполнение проектной диаграммы скорости без механического тормоза [10].
В последние годы большое внимание уделяется частотно-регулируемым приводам. При этом предпочтение отдается машинам переменного тока, асинхронным с короткозамкнутым ротором и синхронным, т.к. они имеют меньшие габариты, более высокую надежность и значительный срок службы, проще в обслуживании и ремонте в сравнении с другими типами электрических машин.
В частотно-регулируемых приводах традиционно и чаще всего продолжают использоваться нерегулируемые двигатели общего применения, рассчитанные на питание от промышленной сети и работу с постоянной скоростью вращения ротора. По некоторым оценкам [15] использование обычных серийных асинхронных двигателей в частотном приводе снижает КПД и требует завышение их установленной мощности на 15-20 % при работе в установившихся режимах и до 40-45 % при работе в динамических режимах.
Ведущие российские и зарубежные разработчики, и производители электрических машин и электроприводов единодушны в том, что для частотного регулирования нужны специальные двигатели. Известно, что если в регулируемом приводе используется серийный двигатель, без специальных мер, ему, зачастую, не достает напряжения на выходе преобразователя частоты [16].
Как хорошо известно, проходческая подъемная установка представляет собой машину, имеющую механическую характеристику типа постоянного момента и работающая в самом сложном скоростном режиме [14]. Достаточно заметить, что диаграмма скорости проходческого подъема многопериодные, особенно для одноконцевого подъема. Т.е. основное время работы занимают маневровые операции с пониженной скоростью в неустановившемся режиме. Это означает, что самой тяжелой в тепловом отношении будет работа при минимальных частотах, что ухудшает условия охлаждения и, кроме того, при низкой частоте вращения снижается КПД и сos() привода.
При спуске грузов из всех известных способов торможения наиболее приемлемым, с передачей энергии в сеть, является способ рекуперативного торможения. Однако он требует в преобразователе частоты установки автономного инвертора и обратимого выпрямителя. При этом стоимость преобразовательной установки может существенно возрасти за счет стоимости силовых транзисторов [16].
Представленное выше, дает достаточно полное представление о том, что пока применение асинхронного двигателя с преобразователем частоты в приводе передвижных проходческих подъемных установок крайне ограниченно и не может конкурировать с традиционным асинхронным приводом, имеющим двигатель с фазным ротором.
Анализируя вышеизложенное, следует заметить, что существенным недостатком использования электропривода в передвижных проходческих подъемных машинах является чрезмерная быстроходность электродвигателей при сравнительно малых крутящих моментах на валу, что вызывает необходимость применения механического редуктора. Элементарные расчеты показывают, что использование редуктора в шахтном подъеме даже с канатным тяговым органом увеличивает массу всей подъемной установки на 20-35%.[10]
Следовательно, наличие редуктора в приводе малогабаритных передвижных проходческих подъемных машин следует рассматривать как существенный не 16 достаток. Поэтому разработка и применение безредукторного привода подъемных машин является одним из важных путей совершенствования подъемных установок.
Суммарные эксплуатационные затраты [17] безредукторного привода меньше, чем редукторного, а капитальные оказываются примерно равными, однако эксплуатационно-технические преимущества, связанные с изменением электромеханических параметров привода, выше, и это улучшает работу подъемной установки. Данные соображения следует учитывать и при проектировании привода различных систем подъемных установок.
Вопрос о применении безредукторного асинхронного привода с дуговым статором на шахтных подъемных установках уже обсуждался в периодической печати [18]. Наряду с положительными отзывами были представлены также сомнения о целесообразности такого применения. Поэтому необходимо указать возможности технического осуществления безредукторного привода ППМ с дуговым статором.
Как указывалось выше, расчеты показывают, что применение редукторов в шахтном подъеме на 20-35% увеличивает вес всей подъемной машины, а, следовательно, удорожает стоимость ее изготовления, так как стоимость машины при известных допущениях является функцией веса машины. Кроме того, исследования показывают, что стоимость передачи возрастает с увеличением момента вращения и передаточного отношения [17].
Из указанного следует, что весьма целесообразно осуществление безредукторного привода подъемных машин, обеспечивающего минимум движущихся частей, сокращение массы машины и ее стоимости.
При асинхронном приводе эта задача может быть решена применением, так называемого электродвигателя с дуговым статором системы П. А. Фридкина, т. е. такого двигателя, у которого магнитная система статора разомкнута и охватывает только часть окружности ротора (ротационного органа).
Составление и анализ дифференциальных уравнений движения безредукторного гидравлического привода проходческого подъема
В настоящее время имеется обширная литература и разработано достаточно много различных методов составления уравнений динамики электрических приводов. Однако работ, посвященных синтезу и динамике гидропривода с объемным управлением, относительно мало.
Анализ методов составления уравнений движения объемных гидроприводов свидетельствует о том, что наибольшее внимание при исследованиях [28,29] уделялось методам, определяющим уравнения движения гидроприводов, для которых первостепенное значение имеет точность обработки входного сигнала, зависящего от нагрузки.
В наиболее полном и удобном для применения виде уравнения движения объемного гидропривода подъемных установок представлены в работах [30,31].
В работе [31] уравнения составлены для гидравлического привода, состоящего из регулируемого насоса, приводимого во вращение электродвигателем с постоянной скоростью вращения, сравнительно коротких гидромагистралей и нагрузки, определяемой инерционной массой и вязким трением. Полученные авторами [31] уравнения могут быть положены в основу для составления уравнений движения проходческого подъема.
Эта же система уравнений, получившая дальнейшее развитие в коллективной монографии [30] с учетом специфики работы, была использована для описания движения силового гидропривода горных машин. Рассмотрим гидравлическую схему безредукторного привода проходческого подъема (рисунок 2.3), состоящую из гидромотора ГМ, связанного зубчатой муфтой с органом навивки и подъемной машины ПМ, регулируемого насоса Н, приводимого во вращение асинхронным двигателем АД, двух гидромагистралей напорной и сливной, двух предохранительного ПК 1 и переливного ПК 2 клапанов и системы подпитки, включающей подпиточный насос НП, четыре обратных клапана ОК 1, ОК 2, ОК 3, ОК 4.
Для защиты гидромотора применяется предохранительный клапан ПК 1, соединяемый при реверсе насоса с линией нагнетания через обратные клапаны ОК 1 и ОК 2. Реверсирование гидропривода производится насосом. В зависимости от направления вращения гидромотора ГМ работает один из обратных клапанов ОК 3 или ОК 4. Для компенсации утечек в кольцевую линию через обратный клапан ОК 3 подается рабочая жидкость от вспомогательного (подпиточного) насоса НП под определенным постоянным давлением, устанавливаемым переливным клапаном ПК 2.
Основной целью проводимого анализа является определение зависимостей между положением вала гидромотора, изменением положения управляющего элемента насоса и моментом нагрузки.
Принятые допущения для реальной оценки характеристик гидравлической системы сводятся к следующим: для изменения положения управляющего элемента насоса имеется самостоятельная внешняя система, в которой внутренние изменения не оказывают влияния на положение этого элемента; общий объем жидкости в каждой магистрали и в соединительных каналах остается при данном давлении постоянным; не учитывается инерция потока жидкости; кавитация и разрыв потока в системе отсутствуют; перетечки в гидромашинах являются линейной функцией разности давлений в магистралях, а утечки – линейной функцией давления; давления напора и слива постоянны по всей длине магистрали и не превышают таковых для открытия предохранительных клапанов.
Уравнения, описывающие движения гидропривода, можно представить в виде отдельных уравнений каждого элемента всего привода на основании уравнений расходов и моментов системы. Расход жидкости, проходящей через насос в напорную магистраль и поступающей в сливную, можно выразить системой уравнений: 01н=Чн92-Спн{Р1-Р2)-СунР1; а2н=Чн92-Спн{Р1-Р2) + СунР2; Чн=КнТ; Qун=cун{P1-P2), (2.28) (2.29) (2.30) (2.31) где Q1н - секундная подача насоса в напорную магистраль; qн - удельная подача насоса, то есть подача при повороте вала на угол в один радиан; cp2 - угловая скорость вала насоса; Ст, Сун - коэффициенты перетечек и утечек в насосе; P1,P2 - давления в напорной и сливной гидролиниях; Q2H - секундный расход из сливной гидролинии в насос; Кн - коэффициент удельной подачи насоса; у - угол поворота управляющего устройства насоса; QyH - общий секундный расход на утечки в насосе. Коэффициенты утечки Сун и перетечки Ст учитывают потери производительности насоса, а их значения могут быть найдены по объемному КПД насоса [32]. Уравнения расхода для гидродвигателя можно записать [32] в следующем виде: &гм = Чгм Р3+Спгм (P1 -Р2) + СугмР1; (2.32) а2гм=Чгм Р3+Спгм{Р1-Р2)-СугмР2; (2.33) 2уги=Сугм(Р1+Р2), (2.34) где 01ш, О2гм - секундные расходы рабочей жидкости гидромотора через напорную и сливную магистрали; (Р3 , Чгм - угловая скорость и удельный расход гидромотора; Спгм, Сугм - коэффициенты перетечек и утечек в гидромоторе; Qym - общий секундный расход на утечки в гидромоторе. Наличие утечек и перетечек приводит к уменьшению скорости гидромотора. Аналитически определить их очень трудно, и точность получаемых результатов невелика, поэтому их, как правило, определяют экспериментально. На основании уравнения Н.Е. Жуковского [33] определяем расход жидкости через гидролинии:
Динамические усилия в упругих элементах при изменении удельных утечек и перетечек гидропривода
Конструкция и характер элементов привода и подъемной машины оказывает существенное влияние на динамические нагрузки в упругих элементах проходческого подъема. Поэтому, полученные во второй главе системы уравнений передвижной проходческой подъемной установки (2.55а и 2.60), необходимо, прежде всего, подвергнуть численному анализу с целью определения максимальных динамических нагрузок в гидро- и электромеханической системах соответственно. В дальнейшем это может быть полезным для изучения вопросов, связанных с оптимизацией гидромеханических систем и выявлением рациональных параметров проходческого подъема.
Система дифференциальных уравнений гидромеханической системы подъема (2.55а) детально описывает динамику подъемной системы, но численное решение требует подготовки уравнений к решению на ПК [36]. Для этого введем следующую замену переменных: Р1 — У1; Р2 у 2 ; Мэд = у 3; Рі = у 4 ;Ф\ — у 5; @2 = у 6 ; Я 2 = у7; Р3 у 8; Фъ у 9 ; Р4 у10 ;Ф4 у 11; Ф1 = у 12 ; 1 = у13 . Точно так же поступим и с системой уравнений (2.60), описывающей динамику подъема с асинхронным приводом. Введем для понижения порядка уравнений замену переменных: Vas=yiWPs=y2;ar =Уъ;Ч/рг = У ; Рх = УъА =Уб;2 = Уп;Фг =Уг; Ръ = У9;Фз =Ую; Р4 =Уп;Ф4 =Уп; Фі=УпЛ=УиЛ=Уі5 Л=Уіб. Системы уравнений (2.55а и 2.60) в виде нормальных систем дифференциальных уравнений представлены в приложениях А и Б.
Приведенные к нормальному виду системы решаются методом Рунге-Кутта с модификацией Гилла. Исходные данные для динамического расчета безредукторного гидравлического привода проходческой подъемной машины МПП-2.5, полученные на основании статистического расчета по разработанной методике [Приложение Л] сведены в таблице 3.1.
Уравнения движения (2.55а и 2.60) записаны для случая подъема бадьи вверх «с веса». Этот режим наиболее характерен для проходческого подъема. Целесообразно рассмотреть случай основного разгона бадьи до максимальной скорости, т.е. тогда, когда максимальные ускорения системы и наибольшие динамические нагрузки в упругих элементах. При этом все массы упругой системы предварительно нагружены и начинают движение одновременно с нулевыми начальными скоростями. Таким образом, расчетным режимом является режим подъема свободно висячего концевого груза с ускорением.
Угол поворота масс J1-J4 (см. рисунок 2.2) системы уравнений гидравлического и масс Ji-Js (см. рисунок 2.5) асинхронного приводов определяется из условия приложения к органу навивки статического момента от действия силы, соответствующей натяжению тягового органа поднимающейся ветви. Из 5-го уравнения системы (2.55а) определяются начальное значение Ф10 : Ф10 = - - . (3.1) EF Зная начальные углы поворота масс по уравнениям (2) и (3) систем (2.55) и (2.55а) можем определить начальные давления Р1(0) и Р2(0) в напорной и сливной гидролиниях. Затем из уравнений (6) и (7) системы (2.55а) найдем начальные значения /0 : (3.2) где к - коэффициент, учитывающий скорость перемещения управляющего элемента насоса; т - текущее значение времени разгона системы; у0 - значение начального положения управляющего элемента насоса для обеспечения натяжения системы (/-текущее значение). Начальный момент электродвигателя насоса определяется по его статической характеристике из первого уравнения системы (2.55а) и системы для одно-концевого подъема, записанных для начальных условий. Все остальные параметры, входящие в системы уравнений (2.55а) и (2.60), имеют нулевые начальные условия.
Разработанная программа [37] выдает на экран монитора графики, а также сохраняет числовые результаты в файле отчета.
Таким образом, могут быть получены следующие графики основных параметров в функции времени для процесса разгона системы, представленные на рисунке 3.1.
Наибольший интерес представляет переходный режим, когда под действием момента двигателя система начинает движение. В этот период в упругих элементах развиваются максимальные динамические нагрузки.
Характер протекания переходных процессов и зависимости во времени динамических нагрузок в упругих элементах гидромеханической системы в процессе разгона проходческой подъемной установки, при подъеме груженой бадьи, показаны на рисунке 3.1.
Анализ динамических процессов, происходящих в переходном режиме разгона подъемной установки (рисунок 3.1) свидетельствуют о том, что они имеют колебательный характер. Наибольшее значение динамические параметры достигают в первый полупериод нарастания усилий в подъемном канате.
В начальный полупериод нарастания усилий в подъемном канате наблюдается относительно небольшое колебание угловой скорости органа навивки и вала гидромотора, вызванного упругими колебаниями груженой бадьи. Эти колебания являются следствием высокой упругости ветви подъемного каната при высоте подъема более 250 м, а также следствием значительного уменьшения суммарного приведенного момента инерции подъемной установки с безредукторным гидроприводом. Но, тем не менее, амплитуды этих колебаний на порядок выше, чем это имеет место в подъемных установках с асинхронным редукторным приводом и не могут вызвать ложных срабатываний ограничителя скорости подъемной машины. [10]
Экспериментальная проверка уравнений движения подъемной установки с безредукторным гидравлическим приводом
Как показала практика строительства вертикальных стволов шахт большой глубины, наибольшей производительности можно достигнуть, применяя две передвижные одноконцевые подъемные машины вместо одной двухконцевой [44]. Однако работа их в этом случае несколько отличается от работы обычной одно-концевой подъемной установки, как по характеру концевой нагрузки, так и по заданной диаграмме скорости.
Использование специализированного подъемного оборудования выдвинуло ряд проблем при проходке стволов. Влияние концевой нагрузки на режим работы подъемной машины особенно заметно при проходке глубоких стволов. С увеличением глубины возрастает вес каната, и к тому времени, когда прохождение ствола заканчивается, вес бадьи и поднимаемого груза, может стать равным весу каната, а это, в свою очередь, повлияет на амплитуду колебаний бадьи, если предохранительное торможение возникает, когда бадья находится недалеко от забоя. Так, например [2,44], для шахты глубиной ствола 1400 м и допустимой по условиям предохранительного торможения концевой нагрузки 171,5 кН (17,5 тс) - вес подъемного каната составил 82,32 кН (8,4 тс), а бадьи с породой и пульпой – 76,44 кН (7,8 тс). При этом коэффициент использования подъемной машины c асинхронным редукторным приводом по фактической концевой нагрузки составляет лишь 0,45.
Из приведенного примера видно, что осуществить использование подъемных машин на их полную мощность затруднительно ввиду особенностей режимов предохранительного торможения.
Только применяя специальные меры по регулированию тормозных устройств можно повысить коэффициент использования машины и, следовательно, повысить производительность проходческого подъема.
При этом следует учитывать требования налагаемые режимом предохранительного торможения на выбор концевой нагрузки, а значит и на коэффициент использования машины. Современные передвижные проходческие подъемные машины типа МПП имеют асинхронный редукторный привод, который не обеспечивает решения вопросов удовлетворительного предохранительного торможения при номинальной грузоподъемности, как при подъеме, так и при спуске грузов, т. е. требует обязательного введения специальных мер для сохранения проектной (заводской характеристики машины) по величине концевой нагрузки. Следовательно, чтобы получить увеличение коэффициента использования машины при проходке стволов большой глубины, в случае предохранительного торможения, нужно увеличить постоянную времени нарастания тормозного усилия, или, иными словами, замедлить скорость нарастания тормозного усилия механического тормоза.
Вместе с тем, существует возможность, обеспечивая полную безопасность режимов работы, создавать схемы управления машиной в режиме предохранительного торможения для значительных концевых нагрузок при проходке стволов большой глубины.
Наибольший эффект в этом случае может дать использование привода подъемной установки для осуществления предохранительного торможения. Однако при использовании асинхронного привода подъемных установок, в силу особенностей этой системы привода и ранее указанных причин, этим воспользоваться невозможно. Такая возможность имеется у подъемных установок оснащенных приводом постоянного тока, выполненного по системе Г-Д. Использование же привода постоянного тока данной системы для передвижных проходческих подъемных установок не применяется в силу большой массы, значительных габаритов, высокой стоимости и т.д.
Большие возможности для использования в предохранительном торможении имеет безредукторный высокомоментный гидравлический привод [7].
Расчеты, выполненные по разработанной программе [37], позволили построить графики предохранительного торможения для подъемной установки, оснащенной подъемной машиной МПП-17,5 для глубины 900 метров (рисунок 3.29).
Полученные графики свидетельствуют о том, что скорость подъемных сосудов при торможении изменяется плавно, отсутствует прирост скорости за время холостого хода тормоза. Замедление подъемного сосуда также происходит плавно и не превышает значения 4 м/с2. Таким образом, может быть получена реальная возможность использовать подъемную машину по нагрузке, равной проектной. Участие гидравлического привода в формировании тормозного усилия при предохранительном торможении позволяет получить плавное замедление машины, как в случае подъема, так при его спуске.
Следовательно, использование гидравлического привода в режиме предохранительного торможения создает возможность разработки тормоза с автоматическим регулированием величины тормозного усилия, и повысить коэффициент использования подъемной машины по грузоподъемности при проходке шахтных стволов большой глубины.
Абсолютное большинство проходческих подъемных машин оборудуется асинхронными двигателями со ступенчатым запуском через металлический рео 101 стат от стандартной магнитной станции. Существующие методы расчета динамических нагрузок по среднепусковому моменту не всегда оправданы. Такой метод расчета не учитывает характер запуска электродвигателя, его динамическую характеристику, а также переходные электромагнитные процессы. Так, исследования [46,47] показывают, что при запуске асинхронного двигателя электромагнитный момент может достигать 8-15-кратного значения номинального момента. Следовательно, пренебрежение влиянием электромагнитных процессов приводит к большим погрешностям. Известно, что характер протекания переходных процессов в упругих элементах подъемных установок во многом зависит от переключения пускорегулирующих роторных сопротивлений. Поэтому весьма важными являются исследования, определяющие влияние закона изменения момента, скорости и ускорения двигателя на характер динамических процессов в электромеханической системе [48]. Полученные результаты при разгоне системы можно будет сравнить с аналогичными исследованиями, выполненными для гидравлического привода [49].
Решение системы дифференциальных уравнений (2.60) позволяет учесть влияние всех перечисленных факторов. Рассмотрим режим запуска. При этом к ротору двигателя приложен ступенчато изменяющийся момент М дв (t) путем кратковременного включения в цепь ротора дополнительных сопротивлений. Переход с одной характеристики на другую осуществляется в функции времени.
Для оценки влияния величин роторных сопротивлений и количества ступеней реостата по разработанной программе для ПК [37] были просчитаны для однокон-цевой проходческой подъемной установки (приложение Е) переходные процессы при разгоне двигателя в три (k=13.66), четыре (k=15,65) и пять ступеней (k=17,64) (где k – кратность активных сопротивлений роторной цепи).