Динамика проходческой подъемной установки с безредукторным гидравлическим приводом

© B.C. Вагин, 2012

B.C. Вагин

ДИНАМИКА ПРОХОДЧЕСКОЙ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ С БЕЗРЕДУКТОРНЫМ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ

Выполнен анализ динамических нагрузок возникающих в упругих элементах проходческой подъемной установке оснащенной безредукторным гидравлическим приводом при неустановшихся режимах работы. Ключевые слова: проходческая подъемная установка; безредукторный гидравлический привод; электромеханический асинхронный привод.

В настоящее время при проходке стволов строящейся шахты применяются передвижные подъемные машины типа МПП, имеющие максимальную унификацию, почти полную заводскую готовность к эксплуатации, оснащенные редук-торным асинхронным приводом с фазным ротором, который имеет большие габариты и значительную массу.

Вследствие расположения подъемной машины и привода на отдельных не связанных между собой фундаментных блоках при работе этих машин, возникают постоянные вибрации подъемной установки, возбуждаемые колебаниями подъемных сосудов подвешенных на упругом канате, который испытывает значительную переменную продольную деформацию в переходных режимах работы проходческого подъема. По мере увеличения глубины проходки ствола амплитуды вибраций увеличиваются. Таким образом, применение электромеханического привода в передвижных, компактных проходческих подъемных машинах снижает степень их совершенства и надежность не обеспечивает снижение массы и габаритов вызывает вибрацию элементов проходческого подъемного комплекса.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом проводятся работы по совершенствованию привода мобильных горных машин на основе применения объемных гидропередач. Для передвижных проходческих подъемных машин наибольший интерес представляет высокомоментный безредукторный гидропривод, позволяющий снизить в значительной степени массу и габариты подъемных машин, обеспечить бесступенчатое регулирование скорости в широких пределах, высокий

КПД при глубоком регулировании, быстродействие при управлении и демпфирование. Однако, значительное снижение массы вращающихся частей подъемной установки, особенно при использовании в качестве тягового органа стальной ленты вместо каната [1], увеличение глубины проходки, концевой нагрузки, повышение упругости тягового органа, сложный кинематический режим требуют переоценки установившегося взгляда на динамику малогабаритных передвижных проходческих подъемных установок.

Положительные качества безредукторного гидропривода могут быть реализованы в полной мере только при условии уяснения всех явлений, происходящих в гидромеханической системе проходческого подъема, выявлении механизма формирования силовых нагрузок с учетом динамических особенностей взаимодействующих систем. Исходя из конструктивных особенностей и физических свойств реальной системы, двух-барабанная передвижная проходческая подъемная установка с тяговым органом в виде стальных лент при бобинной навивки на барабаны (рис. 1) представляется в виде единой гидромеханической системы, состоящей из дискретных масс электродвигателя насоса, гидромотора, органов навивки, концевых грузов, соединенных между собой упругими связями и тяговыми органами переменной длины. Приведенная эквивалентная (расчетная) схема показана на рис. 2.

Рис. 1. Гидравлическая схема безредукторного привода проходческого подъема

Рис. 2. Приведенная эквивалентная схема подъемной установки с гидравлическим приводом

Динамические свойства подъемной установки с безредук-торным гидроприводом в соответствии с эквивалентной схемой (рис. 2) описываются следующей системой уравнений:

Л 1Ф1 + С12 (Ф1 -Ф 2 ) = Мэп );

Л 2 Ф 2 + С12 (Ф1 -Ф 2 ) = -КнУ( Р1 - Р2 )-4Ж Ф 2 ;

Л3Ф 3 + С34 (Ф 3 -Ф 4 ) = Яш (Р1 - Р2 )- Ф 3 ;

Л4&Р4 - С34 (Ф3 -Ф4 ) + С45 (Ф4 -Ф5 ) + № + ^^4 + ^^4^ _

- (( Ф4 Рп Ж&1 + Я (( Ф4 Рп )п + ^п 2 (( -Ф 4 Рп )Ф 4 +

+2 (( -Ф4^п)Ф4^1 -2((01 -Ф4^п)2 =-М (); 70

¿5Ф5 - С45 (ф4 -Ф5 )- 02Я0 + ^ ^Ф5 + ^ Я^Ф5Ф2 +

О 2

+ ^ (02 +Ф 5Я0 )Я0ф - Я ((02 +Ф 5Я0 )Я 0 + (( +Ф 5 Я0 )Ф 5 +

+ ((02 +Ф5Я )Ф5<Ф + |^0 ((02 +Ф5Я)2 Ф2 = -^2 (

"

О +Я

Ф1 -

+Я

*Яп Ф 4 =

О + Я ((01 -Ф 4

3 -

"И 4 Яп)

О1 + 2

"

02 + Т

+ а [> Ф1 - £РФ1; 1

Ф 2 +

02 + -2

<Я 0 ф 5 =

-\~3 Ф 5 Я 0

02 + Я

02 + Я

3 -

+ а[> Ф2 - £РФ2;

КнФ2У - С, ( - Р2) - СЛ - Я„Ф3 - 13Р 1 = 0;

-КНФ 2У + Сп (Р1 - Р2 ) - СуР2 + ЯгиФ 3 -0 при Р2 > Рнш

-2К23 Р&2 =

ГяёР2 - Опн ПРИ Р2 < Рн

* * - м.

Т_ I

где фп,¿п (п = 1,2,...,5) — абсолютные углы закручивания и моменты инерции дискретных масс, соответственно, ротора электродвигателя, насоса, гидромотора и органов навивки грузовой и порожняковой ветвей; с12, с 34, с 45 — угловые жесткости упругих связей между ротором электродвигателя и насосом,

между гидродвигателем и органом навивки и между органами навивки; Q1, Q2, д — концевые грузы грузовой и порожняковой ветвей и погонная сила тяжести тягового органа; Мэл, Мн, МГМ, М1, М2 — моменты, соответственно электродвигателя, насоса, гиромотора и тормозов органов навивки; Кп, Н0, д — радиусы навивки поднимающейся и опускающейся ветвей тягового органов и ускорение свободного падения; 11,12 и 101,102 - переменные и начальные длины отвесов тяговых органов грузовой и порожняковой ветвей; Ф1, Ф2 — неизвестные функции времени для абсолютного удлинения сечений тяговых органов [2]; Е, F, а- модуль упругости, площадь сечения и коэффициент затухания динамических усилий тягового органа; ю0, v,Tэ - синхронная угловая скорость, коэффициент крутизны статической характеристики и электромагнитная постоянная поля двигателя; кн,¡нэк,у-коэффициент удельной подачи, обобщенного эквивалентного демпфирования насоса и угол поворота управляющего элемента насоса, являющегося функцией времени; р 1, р2 - давления в напорной и сливной гидролиниях; сп, су - коэффициенты перетечек и утечек системы привода; дгМ, /'тэк - удельный расход и коэффициент эквивалентного демпфирования гидромотора; к13, к23 - гидравлические податливости напорной и сливной гидролиний; Qпн, рнк„, г - подача подпиточного насоса, давление и

1 п.н * н.кё кп 7

удельный расход подпорного клапана системы подпитки.

Представленная система уравнений устанавливает связь между гидравлическими, механическими и электрическими параметрами передвижной проходческой подъемной установки с безредукторным гидроприводом и определяет зависимость между положением вала органа навивки подъемной машины с изменением координаты управляющего элемента привода и моментом нагрузки от поднимаемого груза.

Динамические процессы рассмотрены применительно к двухбарабанной подъемной машине 2Ц-1,2х0,8 оснащенной безредукторным гидроприводом, включающим два электродвигателя двух насосов НП 120 и два гидромотора ДП 510И.

Система уравнений, описывающая динамику подъемной установки, была подвергнута численному интегрированию. Численные значения величин, характеризующие исходные параметры системы, следующие:

J1 = 1,5 кг-м2; J2 = 0,8 кг-м2; J3 = 2,5 кг-м2; J4 = Л 5 = 500 кг-м2; С12 = 3-105 Н-м/рад; С34 = 20-106 И-м/рад; О = 22710 Н; 02 = 8340 Н; ц = 6,92 Н/м; а = 0—150 000 Н-с; 102 = 25 м; 101 = 250—1500 м; Ил = 0,6 м; Ио = 0,66—1,83 м;,£ = = 20,6-1010 Н/м2; Р = 0,9-10-4м2; Кн = 0,1-10-5 м3/(рад-град); ?нэк = 70-10 3 Н-м-с/рад ,цгм = 1,146 м3/рад; ¡мгэк = 300 Н-м-с/рад; Сл = 1,5-10-11м5/(Н-с); Су = 1,5-10-11м5/(Н-с); К13 = К23 = 0,5-10-12 м5/Н; та 0 = 157 рад/с; Тэ = 0,04; и = 0,5-Ю-4 //(Н-м); у = 0—26град; к = 3,87 град/с; Т = 0—3 с; фпн = 0,6-10-3 м 3/с; Рнкл = 0,3-106 Н/м2 ,Гкл = 2-10-9 м5/(Нс).

Характер изменения динамических нагрузок в упругих элементах в процессе разгона подъемной установки показан на рис. 3 и 4.

Анализ динамических характеристик показывает, что динамические нагрузки в упругих элементах гидромеханической системы проходческого подъема проявляются в виде затухающих колебаний, основной тон которых близок к частотам свободных колебаний концевых грузов, определяется упруговяз-кими свойствами тягового органа, конструктивными и динамическими параметрами подъемных машин и компактного безре-дукторного гидравлического привода.

При решении уравнений динамики, установлено, что амплитуды динамических нагрузок в период разгона системы подъема с безредукторным гидравлическим приводом увеличиваются незначительно и превышают статические значения (номинальные) для установившихся режимов работы подъемной установки по разности давлений в гидролиниях р1 - р 2 в 1,355 раза, по натяжению в грузовой ветви 51 - в 1,093 раза, по натяжению в поднимающейся ветви Б2 - в 1,09 раза, по разности натяжений ветвей 51 - 52 - в 1,176 раза, по моменту на валу гидромотора Мм - в 1,424 раза.

Рис. 3. Динамические характеристики натяжений тяговых органов опускающейся ветви разности натяжений поднимающейся (грузовой) и опускающейся ветвей ^ — 82) и скоростей движения поднимаю щегося сосуда Уп и опускающегося сосуда У0 при разгоне подъемной установки

8

11 10

8

I

30 25 20 15 10 5

2Л

11,8 1

8,2

7.8

№

V

$ € ч

л« ЧЧ 40

II У > ч Ы. 1 <4

Г ^ ^ ег ц II

V Е:

О ОА 0,8 1,2 16 2,0 2А 2,8 3,2 3,6 и

Рис. 4. Динамические характеристики гидромотора безредукторного привода в режиме разгона при подъеме расчетного груза

Это свидетельствует о значительном снижении за счет высокого демпфирования гидропривода коэффициентов динамичности нагрузок в упругих элементах подъемных установок, оснащенных безредукторным гидравлическим приводом в сравнении с установками, имеющими электромеханический привод, у которых аналогичные коэффициенты динамичности имеют значения порядка 1,5 — 2 [3].

Следовательно, применение безредукторного гидропривода в передвижных проходческих подъемных установках не только снижает массу и габариты подъемной установки, но и способствует снижению динамических нагрузок на упругие элементы проходческого подъемного комплекса. В связи с указанным различием динамической загруженности тяговых органов можно повысить грузоподъемность подъемных сосудов передвижных проходческих подъемных установок и следовательно значительно увеличить производительность проходческого подъема.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Борохович А.И. и др. Грузоподъемные установки с ленточным тяговым органом. — Б83 М.: Машиностроение, 1980, — 191 с.

2. Савин Г.Н., Горошко О.А Динамика нити переменной длины. — Киев: Изд-во АН УССР, 1982. — 332 с.

3. Электрооборудование шахтных подъемных машин / Калашников Ю.Т., Католиков В.Е., Шпильберг Г.И. и др. — М.: Недра, 1986. — 285 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Вагин B.C. — кандидат технических наук, профессор, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.

д