Содержание к диссертации
Введение
Обзор литературы и постановка 4
1.Обзор исследований динамики торможения 4
2. Обзор систем автоматического торможения ШПМ 13
3. Задачи исследования 18
Исследование динамики тормозной системы 21
1.Методика исследования динамики тормозной системы 21
2. Процесс истечения воздуха из цилиндра предохранительного торможения 23
3.Зависимости истечения воздуха 29
4.Исследование быстродействия тормозного устройства 33
5.Исследование усилий в элементах тормозного устройства 58
Выводы 79
5. Расчетная модель торможения 81
5.1.Этап холостого хода при недеформируемых тормозных тягах 81
5.2. Упрощение уравнений для второго и третьего этапов 92
5.3.Исследование динамики тормозной системы 102
5.4.Анализ полученных результатов 114
Выводы 119
Система автоматического торможения шахтной подъемной машины системы НКМЗ им.В.И.Ленина 120
1.1.Синтез системы автоматического торможения ШПМ 120
1.2. Функциональная схема системы автоматического торможения 128
Выводы 134
Список литературы 137
Приложение 143
- Обзор систем автоматического торможения ШПМ
- Процесс истечения воздуха из цилиндра предохранительного торможения
- Упрощение уравнений для второго и третьего этапов
- Функциональная схема системы автоматического торможения
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС намечена грандиозная программа развития промышленности в одиннадцатой пятилетке,определены высокие темпы роста добычи полезных ископаемых.При этом добычу угля предусматривается в 1985 году довести до 770 - 800 млн. тонн.Основное количество угля будет добыто шахтным способом,при котором выдача полезного ископаемого осуществляется канатным подъемом / I /.
Шахтные подъемные машины обеспечивают бесперебойную подачу на поверхность угля,а также спуск и подъем работающих в шахте.В настоящее время в нашей стране эксплуатируется около 2000 крупных шахтных подъемных машин - одиоканатных и многоканатных,изготовленных Новокраматорским машиностроительным заводом им.В.И.Ленина / HK1V13 /Донецким машиностроительным заводом им.Ленинского комсомола Украины и другими предприятиями.Около 90% от общего количества эксплуатируемых машин составляют канатные барабанные машины производства ШШ, ежегодно изготовляющего около 50 шахтных машин.Широкое распространение этих ответственных элементов шахтного оборудования требует исключительной надежности всех узлов машины.
Одним из сложных и ответственных узлов шахтных подъемных машин / ШПМ / является тормозное устройство, - важное звено в конструкции и в цепи защитных средств подъемной машины.Надежность тормозных устройств,в значительной мере определяющая надежность работы подъемной машины в целом,является объектом самого серьезного внимания со стороны конструкторов и эксплуатациоников,к работе тормозов предъявляются весьма жесткие требования.Например,по " Правилам безопасности " / 2 / в настоящее время предусматривается время холостого хода 0,3 С в то время,как тормозная система подъемных машин НКМЗ обеспечивает лишь 0,3 - 0,4 С.К тому же система управленш тормозом не предполагает регулирования создаваемого тормозного момента не предполагает регулирования создаваемого тормозного момента по величине в зависимости от нагрузки на барабане,положения сосуда
в стволе и ряда других параметров,что повышает динамику всей тормозной системы.
Резервы улучшения тормозных характеристик кроются в оптимизации конструктивных параметров тормозного устройства.Эта задача решается на основании всестороннего исследования тормозной системы, позволяющего выявить влияние отдельных параметров тормоза.Существенным,по нашему мнению,является разработка управления,разрешающего резко снизить количество торможений с повышенными нагрузками на элементы тормоза,сокращающих срок эксплуатации механизмов подъема и вредно действующих на состояние обслуживающего шахту персонала, -описание такого решения приведено в разделе 4.
В результате выполненных нами исследований установлен характер изменения тормозного момента с учетом всех реально действующих факторов процесса торможения и определены предпосылки синтеза системы автоматического торможения для ШШ Новокраматорского машиностроительного завода им..В.И.Ленина.Данная система внедряется в разработки комплектных электроприводов ІШМ НИИ п/о ХЭМЗ.Экономический эффект составит около 45000 руб.в год.
Обзор систем автоматического торможения ШПМ
Наряду с исследованиями тормозных устройств проводятся исследования возможности автоматического регулирования и управления подъемными установками посредством предохранительного торможения.Во многих работах рассматриваются как предпосылки создания систем автоматического торможения,; так и особенности процесса предохранительного торможения их обусловливающие.
Например,в работах А.Е.Тропа / 67,68,69 / исследуются с учетом гистерезиса тормозных устройств и упругих колебании в канатах процесс импульсного и непрерывного автоматического регулирования хода шахтных подъемных установок.
Особое место в ряду исследований предохранительного торможения занимают работы Е.С.Траубе / 30,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,80, 81 /.Они посвящены,в частности,автоматическому управлению тормозом, разработке требований,предъявляемых к тормозному устройству.Исследовав характер процесса предохранительного торможения у подъемных установок нескольких типов с учетом влияния различных параметров,таких, как статические нагрузки,тормозное усилие,коэффициент трения и др.,автор сделал заключение,что разброс характеристик тормоза и установки в целом влияет на разброс величин тормозных моментов при ступенчатом торможении,и не всегда тормозные моменты укладываются в требования " Правил безопасности ".Автором указано также на различие тормозных моментов при различной нагрузке машины.Поэтому для осуществления эффективного торможения необходима реализация автоматического управления тормозом для поддержания постоянного замедления. Е.С.Траубе сформулированы требования к системам автоматического регулирования. В соответствии с требованиями были разработаны принципы построения и предложены конструкции данных систем при дискретном и непрерывном регулировании тормозного момента;при этом определена область применения механического торможения и рекомендованы уточнения "Правил безопасности".Автором рассмотрены возможные структурные схемы автоматического предохранительного торможения и передаточные функции этих схем при регулировании по скорости и замедлению независимо от направления движения.В работах отмечены основные,по мнению автора,характерные особенности тормозных устройств шахтных подъемных машин - гистерезис,запаздывание в зоне упругой деформации колодок, нелинейность в виде холостого хода_, .,которые следует учитывать при проектировании систем автоматического регулирования процесса торможения с поддержанием заданного замедления.Е.С.Траубе сформулированы критерии безопасности при предохранительном торможении в зависимости от условий эксплуатации установки.Кроме того,автором исследованы переходные процессы как в пневматическом тормозном приводе в период управления,так и в электропневматических регуляторах разных типов.
Как известно,требования " Правил безопасности ".предъявляемые к процессу торможения шахтных подъемных машин,в ряде случаев являются противоречивыми,и их выполнение не всегда возможно.Например,на наклонных подъемах с переменным углом наклона ствола / 64,65,82 / при предохранительном торможении,при различном местонахождении сосудов в стволе тормозное усилие необходимо изменять в соответствии с положением сосудов,чтобы замедление соответствовало требованиям " Правил безопасности ".Если же тормозной момент выбран постоянным / как это необходимо по тем же требованиям /.замедление при торможении на участке с минимальным углом наклона не может быть допущено и возникает вероятность набегания сосуда на канат.
В отдельных работах / 20,30,77,83,84 / отмечается,что при эксплуатации подъемной установки в различных режимах / подъем или спуск различная загрузка сосудов / величина предлагаемого тормозного мо- . мента тоже должна быть различной.При этом отмечается также /85, 86 /,что необходимый для создания требуемой величины замедления тор 15 мозной момент должен находиться в зависимости от пройденного сосудом пути до начала наложения тормоза.
Б настоящее время разработка и внедрение новых тормозных устройств позволяют решать проблему управления подъемными машинами механическим гюдтормаживанием в период работы машины и автоматически поддерживать постоянное замедление при предохранительном торможе-жении,что достигается настройкой на небольшое замедление.
Вместе с тем в процессе работы установки бывают ситуации,когда требуется достаточно быстрое торможение / при входе сосуда в разгрузочные кривые или при подходе к приемным площадкам /.Это вызывает необходимость реализации полной величины тормозного усилия.
Большим недостатком процесса торможения,особенно предохранительного,является возникновение значительных динамических нагрузок как вследствие нерегулируемой тормозной характеристики,так и колебаний, сопровождающих нарастание тормозного усилия / 9,30,87,88 /.
Наряду с этим,ряд авторов / 84,89,90,91,92,95 / указывает на необходимость дифференциации величины тормозного момента в зависимости от вызывающей необходимость торможения ситуации.Это объясняется тем,что в цепь защиты тормозных устройств введено большое число блокировок,каждая из которых,воздействуя на тормоз,вызывает предохранительное торможение.В то же время последствия возможных аварий, предотвращенных введенными в цепь защитами,различны и часто предохранительное торможение,характеризуемое максимальной величиной тормозного усилия,можно не реализовывать.
Процесс истечения воздуха из цилиндра предохранительного торможения
В приведенном выше обзоре литературы содержатся ссылки на работы отечественных авторов.В то же время автор имел возможность ознакомиться с рядом зарубежных периодических изданий и книг,изданных за последние годы,однако в этих источниках не нашли отражения вопросы,затронутые в данной диссертации.Ссылки же на отдельные зарубежные ИСТОЧНИКЕ нмевотся в названных выше советских исследованиях и в данной работе они не воспроизводились.
Из приведенного выше обзора следует,что вопросы динамики тормозных устройств являются предметом многочисленных исследований.В рассмотренных работах снижение динамических нагрузок достигалось как путем создания подъемных установок и тормозных устройств с оптимальными по динамичности параметрами,так и за счет соответствующего управления торможением или электроприводом достоянного тока.В работах делается вывод о возможности существенного снижения динамических нагрузок за счет конструирования тормозных устройств с оптимальными параметрами и уцравлением.К сожалению,принимаются допущения о замене в расчетной схеме тормозного устройства ШПМ исполнительного органа его приведенной жесткостью.А это приводит к существенным погрешнос тягл при определении возможных путей снижения динамичности торможения. В то же время практически отсутствуют разработки по определению оптимальных конструктивных параметров тормозных устройств для уменьшения нагрузок в элементах ШПМ.
Кроме того,авторы при описании процесса истечения воздуха из цилиндров пневматического тормозного привода,принимали условно этот процесс изотермическим или адиабатическим,в определенной степени снижая достоверность предлагаемых методик.
Описанные в литературе способы управления торможением,основанные на оптимальном управлении приводом постоянного тока,а также на усовершенствовании пневмосистемы тормозного привода,не исчерпывают возможностей оптимизации торможения крупных барабанных установок,в том числе шахтных подъемных машин производства НКМЗ им.В.И.Ленина. В соответствии с вышеизложенным в настоящей работе решаются следующие задачи: I.Математическое описание работы тормозной системы ЖШ,как единого механизма,состоящего из дополнительного органа и пневмогрузо-вого привода с учетом всех реально протекающих термодинамических и. механических процессов в этом механизме. 2.исследование тормозной системы и определение возможностей оптимизации конструкции тормоза. 3.Синтез системы автоматического торможения. При решении этих задач мы отправляемся от уравнений Лагранжа П рода для описания динамики тормозной системы.Весь процесс торможения условно разбит на 3 этапа в соответствии с характером движения элементов исполнительного органа и привода,а также состоянием воздуха в цилиндрах последнего.При этом процесс истечения воздуха из цилиндра предохранительного торможения принят политропическим,а коэффициент политропы определен экспериментально.В третьем разделе полученные уравнения позволили выявить динамику тормозной системы путем исследования их на ЭВМ.Установлены тормозные усилия на барабане ШМ,усилия во всех элементах системы,закон нарастания тормозного момента.Сравнение полученных аналитических характеристик тормозного устройства с опубликованными ранее экспериментальными показало, что указанные уравнения достаточно достоверно описывают работу тормозного устройства.Это позволяет путем варьирования конструктивными данными в программе расчета определить оптимальные по динамичности параметры тормоза.
Полученные характеристики торможения свидетельствуют о наличии пульсаций в тормозной системе,приводящих к ее нестабильности.Они вместе с необходимостью дифференциации предохранительного торможения в зависимости от вида срабатывающей аварийной защиты и кинематическими параметрами подъема,явились предпосылками синтеза системы автоматического торможения.В четвертом разделе описана такая система применительно к шахтной подъемной машине производства НКМЗ им.В.И.Ленина.
Процесс предохранительного торможения ШПМ можно разбить на три этапа.На этапе холостого хода - после подачи сигнала на торможение происходит срабатывание пневматической системы.Под давлением воздуха поршень в цилиндре I движется вверх / рис.2.I /,передавая движение тормозным балкам 9 и 16.Колодки двигаются до соприкосновения с тормозным ободом;из цилиндра 2 начинается выпуск воздуха.
Второй этап характеризуется нарастанием усилия на ободе барабана после соприкосновения с ним тормозных колодок.движение поршня I осуществляется за счет упругой податливости тормозной системы. Этап заканчивается в момент начала движения тормозного груза / 2 /.
В течение третьего этапа опускаются тормозной груз и поршень I. Тормозное усилие продолжает расти и достигает наибольшей величины. Этап заканчивается при достижении поршнем 2 крайнего нижнего положения.
Упрощение уравнений для второго и третьего этапов
Исследование процесса предохранительного торможения ШПМ указывает на наличие переходных процессов и колебаний в тормозной системе. Колебания в подвижной системе тормоза вызывают колебания нагрузок тормозных балок и тормозного усилия в контакте тормозных колодок с ободом барабана,При значительной амплитуде эти колебания могут привести к кратковременным отходам колодок от тормозного обода,при этом тормозной момент равен нулю.Такой толчкообразный характер торможения вызывает резкие изменения тормозных замедлений подъемной установки, а возникающие колебания передаются и на подъемные канаты ШПМ.Это влияет на надежность работы всей машины.
В процессе торможения изменения требуемого тормозного момента значительны: от максимального при опускании груза до минимального при подъеме груза где Мт и Мс - фактический тормозной и максимальный статический моменты на валу подъемной машины.
Реализация предохранительного торможения ШПМ влечет за собой приложение значительных усилий к коренной части,что не может не сказаться на состоянии этого важнейшего элемента машины.Поэтому следует,по возможности,снижать возникающие тормозные моменты и уменьшать колебания в тормозной системе. Проблема решается применением автоматического предохранительного торможения,позволяющего регулировать тормозные моменты,устраняя возникающие в системе колебания.Это реализуется в применяющихся параметрических системах.
Процесс предохранительного торможения зависит от местоположения сосуда в стволе,скорости его движения,нагрузки на валу барабана,вида выполняемой установкой операции,поэтому соответствующая информация должна лежать в основе подачи команды на торможение.
Информация о местоположении сосуда и скорости движения его в стволе позволяет судить о правильности отработки тахограммы движения в каждом цикле.Величина нагрузки также является важным фактором в выборе тормозного момента.
Для параметрических систем величина тормозного момента задается в зависимости от статического момента нагрузки,в котором имеются переменная и постоянная составляющие.Переменная составляющая нагрузки, монотонно растущая или убывающая по пути сосуда,связана с неуравновешенностью канатной системы.Диапазон изменения постоянной составляющей зависит от точности загрузочного устройства обслуживаемого ствола.Все это позволяет регулировать момент предохранительного торможения способами автоматического регулирования,при которых формирование статических и динамических передаточных отношений решается достаточно отработанными инженерными методами / 30,97,98 /.
Более сложно создание надежных исполнительных механизмов,с помощью которых система регулирования воздействует на тормозной привод, эта проблема решается развитием конструкций регуляторов давления ряда РДУ / 30,99,100 /. Таким образом,вопросы создания систем автоматического регулирования предохранительного торможения в настоящее время являются вполне разрешенными.
В то же время при предохранительном торможении реализуемый тор 122 мозной момент должен определяться не только текущим значением момента нагрузки на валу подъемного двигателя,но и зависеть от конкретной ситуации,в которой возникла необходимость предохранительного торможения/ 89,90,91,92,93 /. Возможность снижения динамических нагрузок элементов машины в конкретных ситуациях выявляется анализом видов защит ИШМ,вызывающих торможение.
Объем и виды защит,реализуемых с помощью аппаратуры управления подъемной установкой и первичных приборов контролируемых парметров задаются в соответствии с " Правилами безопасности ".Кроме того, имеется ряд дополнительных защит,отражающих особенности кинематических и технологических схем подъемной установки,а также применяемого электропривода.
В настоящее время во всех устройствах управления шахтных подъемных машин срабатывание любой аварийной защиты ведет к безусловному включению предохранительного торможения с реализацией нерегулируемого двухступенчатого наложения тормоза.При введении каждой защиты в объем функций управления подъемной установкой,обычно исходят из того,что нарушение в алгоритме управления или недопустимое отклонение от заданных параметров происходят в ситуации,имеющей фатальный характер в отношении техники безопасности или дальнейшего развития аварии.Однако,анализ возникающих в процессе работы возможных аварийных ситуаций показывает,что подход к этому требованию должен быть избирательным.Так»в зависимости от причины срабатывания аварийной защиты и положения подъемного сосуда в стволе можно разрешать значительно увеличить протяженность тормозного пути сосуда при срабатывают предохранительного тормоза.Это дает возможность существенно смягчить динамику подъемной установки,уменьшить нагрузки ее коренной части, снизить замедления при предохранительном торможении,вызывающие у людей,в случае клетевых подъемов,стрессовое состояние. При классификации по требуемому времени до начала надежного стопорений при предохранительном торможении,т.е. по уровню необходимого тормозного усилия,аварийные ситуации можно разделить на два вида: фатальные ситуации,и условные ситуации.
Термином " фатальные " здесь обозначены аварии,промедление в устранении которых может привести к поломке механизмов подъема и создать опасность для обслуживающего персонала.Для устранения условных аварийных ситуаций можно выделить значительно больше времени, т.к. в момент их возникновения указанные последствия еще не могут произойти.
Условных аварийных ситуаций можно избежать или предотвратить менее радикальным способом:предохранительное торможение можно ограничить регулируемой-первой ступенью или заменить маневровым.Отметим, что приведенное разделение аварийных ситуаций является условным,оно зависит от состояния механизмов и схемы управления подъемной машиной в данный, момент,скорости и положения в стволе подъемных сосудов, т.е. связано с тахограммой цикла.
Функциональная схема системы автоматического торможения
Регулятор первой ступени предохранительного торможения представляет собой цродорционально-интегральный регулятор с цепью временной коррекции.Регулятор замкнут обратной связью по регулируемому пара-метру - действительному значению замедления"ГГГ .Внутри контура обратной связи корректирующее звено выполняет функцию ограничения переменной составляющей тормозного усилия.Звено выделяет переменную составляющую выхода элемента сравнения на резонансной частоте тормозного механизма и производит амплитудное детектирование полученного сигнала.Вместе с устанавливаемыми в процессе наладки конкретной подъемной установки коэффициентом передачи и временем запаздывания / опережения / выход звена коррекции подается на второй вход сумматора.
Сумматор имеет на выходе согласующий усилитель,который позволяет управлять током обмотки первой ступени или рабочей обмотки регулятора тормоза типа РДУ.
Текущее значение величины замедления замеряются с помощью дифференцирования текущей скорости подъемной машины,которая,в свою очередь, замеряется как выходное напряжение токогенератора.
Третий вход сумматора предназначен для ввода задания на аварийное торможение при возникновении фатальных аварий.Команда на такой режим в настоящее время по типовой схеме поступает от датчиков аварийной ситуации р ...р. ,например,датчиков переподъема,превышения скорости и др. Канал маневрового торможения выполнен по структуре,подобной описанной. При возникновении одной из условных аварийных ситуаций и нормальных _значениях О ... П- предельная функция Vv =0 /ее инверсия Vv = I /,включается канал маневрового торможения. Учитывая повышенные регуляторные и энергетические характеристики электромеханических способов торможения по сравнению с механическими, схемой предусмотрена возможность реализации этих двух способов. В первом случае при значении Л/ = 1,что свидетельствует об исправности электрического оборудования подъемной машины выход сумматора подключен к регулятору электромеханического способа торможения для создания тормозного момента с помощью двигателя главного привода машины.Сигнал Л/ формируется как конъюнкция выходов датчиков исправного состояния электрооборудования.При N = 0 сумматор подключен к обмотке рабочего тормоза регулятора давления. Связь между каналами осуществляется через компаратор предельного отклонения АО. регулятора маневрового замедления.При С А0(ПрЕ . т.е. когда загледление по каналу маневрового торможения не обеспечивает требуемого темпа остановки машины,включается канал предохранительного торможения. Элементно схема выполнена на стандартно выпускаемых ячейках управления унифицированной серии бесконтактной системы управления УБСР - Ш для аналоговой части и УБСР - ДИ - для дискретной части системы. I.Выполнен анализ списка защит,предусмотренных в системе электрооборудования шахтных, подъемных машин.Установлено,что для реалнэацвЕ ряда из них двухступенчатое предохранительное торможение можно не применять,а ограничиться первой ступенью с целью избежания дополни 135 тельных нагрузок на тормозное устройство и установку в целом. 2.Сформулированы принципы синтеза системы автоматического предохранительного торможения,позволяющей снизить нагрузки в элементах ШПМ на протяжении всего процесса. 3.Установлено,что наряду с механическим торможением,для уменьшения динамических нагрузок целесообразно применять электромеханические методы. 4.Разработана система автоматического предохранительного торможения. Внедрение системы в конструкцию электрооборудования шахтных подъемных машин даст эконочический эффект порядка 45000рублей на годовую программу выпуска ШПМ в системе ХЗМЗ - НКМЗ им.В.И.Ленина. На основе исследования тормозного устройства,как механизма,состоящего из пневмогрузового привода и исполнительного органа для шахтных подъемных машин / типа НКМЗ им.В.И.Ленина / - установлено,что процесс истечения воздуха из цилиндра предохранительного торможения - политропический,коэффициент политропы = 1,25; - разработана математическая модель системы,описывающая динамический процесс предохранительного торможения до остановки подъемной машины.Впервые в рассмотрение введены все элементы тормозного устройства; учет их жесткостей позволяет установить закон тормозного усі їлия в функции времени непосредственно в месте его возникновения; - установлено,что результаты машинных экспериментов хорошо согласуются с опытными и это обеспечивает обоснованный подбор конструктивных параметров тормозного устройства; - доказана необходимость дифференцированного подхода в оценке аварийных ситуаций с тем,чтобы во многих случаях не прибегать к предохранительному торможению,ограничиваясь маневровым; - обоснованы принципы реализации выбора ситуаций,отвечающих разным видам торможения,что снижает уровень нагрузок тормозной системы в целом.
