К вопросу исследования резонансных режимов электромеханической системы буровых станков

УДК 622:621.31

С.Н. Решетняк

канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий», ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный

университет»

К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ БУРОВЫХ СТАНКОВ

Аннотация. В статье представлены основные аспекты работы системы электропривода бурового станка в резонансных режимах, а также показана актуальность дальнейшего исследования этой проблемы.

Ключевые слова: электромеханическая система, упругие связи, резонансные режимы, энергетическая эффективность, возмущающие воздействие.

S.N. Reshetnyak, State of the Moscow Mining University

THE QUESTION OF THE RESONANT MODES ELECTROMECHANICAL SYSTEMS OF DRILLING RIGS

Abstract. The article presents the main aspects of the system drive drilling rig in the resonant modes, and also give the relevance of the further study of this problem.

Keywords: electromechanical system, elastic links, the resonance operation modes, energy efficiency, disturbing effects.

Буровой станок представляет собой сложную электромеханическую систему (ЭМС) с большим количеством масс, связанных упругими связями. Теоретическая основа нового раздела автоматизированного электропривода - теории электромеханических систем с упругими механическими связями - была получена усилиями научных коллективов под руководством Ключева В.И., Пере-слегина Н.Г., Соколовского Г.Г., Терехова В.М., Борцова Ю.А., Фащиленко В.Н. и др.

В процессе работы бурового станка в упругих связях возникают колебания, как продольные, так и поперечные. Они приводят к преждевременному выходу из строя оборудования, и имеется необходимость для их ограничения. Анализ способов и средств ограничения динамических нагрузок в электроприводах с упругими элементами показывает, что способы ограничения могут быть разделены на два вида: ограничения с помощью механических средств и с помощью использования демпфирующих свойств электропривода. Ограничение динамических нагрузок посредством механических устройств в целом благоприятно сказывается на работе системы, однако данные устройства конструктивно сложны и имеют малую надежность. Наиболее перспективным является ограничение динамических нагрузок посредством использования демпфирующих свойств электропривода [1].

Однако существует ряд исследований, позволяющих ввести буровой станок в режим контролируемого резонанса с целью улучшения ряда показателей производительности, снижения потребления электроэнергии и, как следствие, повышения энергетической эффективности оборудования за счет снижения удельных энергозатрат [1, 2, 3].

Энергетические свойства электропривода, по критерию минимального потребления электроэнергии, определяются коэффициентом динамичности тока якоря для машин постоянного тока. Соотношение между мощностью приводного электродвигателя механизма вращения бурового станка и коэффициентом динамичности тока якоря имеет вид обратно пропорциональной зависимости. То есть, чем больше коэффициент динамичности тока якоря, тем меньше требуется электроэнергии на процесс резанья [2]. Под коэффициентом динамичности тока якоря следует понимать отношение амплитуды вынужденных колебаний к амплитуде возмущающего воздействия.

Одним из путей снижения нагрузок рабочих органов буровых станков является улучшение их динамических свойств за счет выбора рациональных параметров электромеханической

системы и активного управления процессами бурения таким образом, чтобы вредные явления, связанные с вибрациями, направить на разрушение горного массива. Эта проблема может быть решена средствами регулируемого электропривода путем введения электромеханической системы в управляемый резонансный режим, а также определением его граничного диапазона.

Решение этой научной проблемы не потеряло актуальности, ввиду постоянного совершенствования систем управления электроприводов за счет их оптимизации по критерию максимальной производительности и минимального потребления электрической энергии. Также следует отметить, что ведутся исследования по разработке оптимальных кинематических схем бурового станка.

Основной задачей управляемого резонансного режима является обеспечение таких нагрузок, которые бы не превысили допустимого предела по фактору механической прочности конкретного элемента конструкции. Кроме того, современная высокопроизводительная техника должна иметь широкий диапазон скоростей рабочего органа при относительно узком диапазоне изменения крепости пород. Для введения системы в режим резонанса необходимо, чтобы частота собственных колебаний системы была равна частоте возмущающего воздействия [1, 3]. Введение в резонанс системы возможно при двух видах возмущающего воздействия - статического и управляющего.

Система называется статической по отношению к возмущающему воздействию, если при воздействии, стремящемся к установившемуся постоянному значению, отклонение регулируемой величины также стремится к постоянному значению, зависящему от величины воздействия. То есть канал статического возмущения обусловлен состоянием горного массива (крепостью породы) и особенностями режущего инструмента. При этом диапазон изменения частот собственных колебаний должен изменяться в пределах, обеспечивающих совпадение с частотой возмущающего воздействия.

В системе с управляющим возмущающим воздействием для достижения резонансного режима необходимо использование маломощного генератора синусоидальных колебаний, сигнал которого выступает в виде сигнала управления и совпадает с частотой собственных колебаний системы. Также необходимо введение в структуру системы обратной связи, которая обеспечивает ограничение амплитуды вынужденных колебаний, угловой скорости двигателя, рабочего органа и тока в силовых цепях до предельно допустимого уровня нагрузок при резонансном режиме работы.

Исследования резонансных режимов с замкнутой системой управления позволили выявить влияние различных обратных связей на поведение системы в целом, а также решить две основные задачи: выяснить возможность активного воздействия на величину амплитуды колебаний в резонансном режиме и возможность настройки на резонанс с помощью обратной связи при статическом возмущении [2].

В работе [2] представлены исследования влияния обратных связей в ЭМС в резонансном режиме статической системы по отношению к возмущающему воздействию. Экспериментальные исследования проводились на системе электропривода вращателя бурового станка типа СБШ (Станок бурения шарошечный) с двигателем постоянного тока ДПВ-52У2 и при питании от тиристорного выпрямителя. В результате данного исследования были получены аналитические и графические зависимости влияния обратных связей и наборов обратных связей на ЭМС вращателя бурового станка при резонансных режимах работы. В частности, влияние ГООТ (гибкая отрицательная обратная связь по току), влияние ГПОТ (гибкая положительная обратная связь по току), совместное влияние ГООТ и ЖООС (жесткая отрицательная связь по скорости), совместное влияние ГООТ и ЖООТ (жесткая отрицательная связь по току).

По результатам исследований были получены следующие выводы: а) структура ЭМС в управляемом резонансном режиме зависит от частоты возмущающих воздействий; б) для полу-

чения в ЭМС резонансного режима в диапазоне частот ш = 1...42 с- с технически обоснованными значениями коэффициента динамичности по току, в пределах 1,1...1,4 при статическом возмущении, наиболее целесообразно применение ГООТ при совместном действии с ЖООТ.

Рисунок 1 - Математическое описание и кинематическая схема 10-массовой

системы бурового станка: М - момент приводного двигателя; Му12 - Му89 - упругий момент между соответствующими массами; Л - Л10 - приведенный момент инерции соответствующей массы; ю1 - ю10 - угловая скорость вращения соответствующей массы; Мс - приведенный статический момент исполнительного органа (шарошки); С12 - С910 - приведенный коэффициент жесткости между массами

Однако во всех работах исследования, проведенные на ЭМС бурового станка, сводится

к исследованию влияния обратных связей при работе в резонансном режиме статической системы по отношению к возмущающему воздействию. Работа по исследованию ЭМС бурового станка и влиянию обратных связей, при работе в резонансном режиме в системе с управляющим возмущающим воздействием, до настоящего времени не исследованы. Кроме того, все исследования были проведены для одномассовой системы, а исследования многомассовых систем проведены не были.

В качестве системы ЭМС бурового станка предлагается 10-массовая система, которая включает в себя 8 масс бурового става (по две массы на одну буровую штангу), а также массу приводного двигателя и массу исполнительного органа (шарошки). Все 10 масс связанны между собой упругими связями. Кинематическая схема 10-массовой ЭМС бурового станка представлена на рисунке 1.

Уравнения Киргофа для цепей возбуждения и якоря двигателя имеют вид:

ив = ^  Rв + Lв • ав/М ;

ия = 'я ' ^ + ' ^яМ + а эл ' ¿12 ' 'в ;

М = Рп ' ¿12 ' 'В ' 'Я ,

где: ив - напряжение обмотки возбуждения; /в - ток обмотки возбуждения; Rв - активное сопротивление обмотки возбуждения; Lв - индуктивное сопротивление обмотки возбуждения; d/dt - оператор;

иЯ - напряжение обмотки якоря; Я - ток обмотки якоря;

RЯ - активное сопротивление обмотки якоря;

LЯI- индуктивное сопротивление обмотки якоря;

L12 - взаимная индуктивность между якорем и обмоткой возбуждения;

рП - число пар полюсов;

шЭЛ- скорость якоря.

Причем, последний член уравнения для цепи якоря - есть ЭДС двигателя: эл ' ¿12 ' /в = кФю = Е , где: Ф - магнитный поток;

к - переводной коэффициент; ш- скорость вращения.

Момент двигателя постоянного тока определяется следующим уравнением:

М = РпЦА'я = к'Ф''Я = Се ' 'я ,

где Се - внутренняя обратная связь двигателя по ЭДС.

На основании кинематической схемы составлена система уравнений, которая описывает 10-массовую систему ЭМС бурового станка.

Решение этой системы состоящей из 21 уравнения позволит оценить влияние обратных связей на работу многомассовой ЭМС в резонансных режимах.

В заключении следует отметить, что необходимо дальнейшее исследование многомассовых ЭМС различных структур систем управления электроприводами буровых станков при резонансных режимах работы с целью снижения удельных энергозатрат бурового станка при бурении.

Список литературы:

1. Ляхомский А.В., Фащиленко В.Н. Управление электромеханическими системами горных машин. - М.: Изд-во МГГУ, 2004. - 296 с.

2. Пейль Н.Г. Исследование резонансных режимов ЭМС с обратными связями // Горный информационно-аналитический бюллетень / Моск. гос. горн. ун-т. - М., 2005. - № 5. -С. 242-246.

3. Фащиленко В.Н. Структурный анализ и синтез рационального управления электромеханическими системами горных машин: дис. ... д-ра техн. наук: 05.09.03 / Моск. гос. горн. ун-т. -М., 2004. - 512 с.

List of references:

1. Lyahomsky A.V., Fashilenko V.N. Control of Electromechanical systems of mining machines. - M.: Publishing house of Moscow state mining University, 2004. - 296 p.

2. Peyl N.G. A Study of resonant modes EMC with feedbacks // GIAB / Mosk. state horn. University. -M., 2005. - № 5. - P. 242-246.

3. Fashilenko V.N. Structural analysis and synthesis of rational control Electromechanical systems of mining machines: dis. ... iPod. tehn. Sciences: 05.09.03 / Mosk. state horn. University. - M., 2004. - 512 p.