Методика расчета энергоэффективности одноковшового экскаватора с электроприводом

УДК 621.31

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ОДНОКОВШОВОГО ЭКСКАВАТОРА С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Г.И. Бабокин

Разработана методика расчета эксплуатационного сменного удельного расхода электрической энергии одноковшового экскаватора с механической лопатой, учитывающая отдельно потребление энергии основными и вспомогательными механизмами экскаватора и параметры, характеризующие условия, режимные и технические параметры работы экскаватора, позволяющая определить энергоэффективность работы экскаватора. Получены зависимости среднего сменного удельного расхода электрической энергии при работе экскаватора в функции производительности и удельного сопротивления копанию.

Ключевые слова: методика, энергоэффективность, удельный расход электрической энергии, экскаватор, электропривод.

Одноковшовые экскаваторы, оборудованные прямой и обратной механической лопатой с электроприводом находят широкое применение в горной и строительной промышленности на карьерах и рудниках и являются основными потребителями электрической энергии при добыче угля, руды, строительных материалов. Поэтому повышение энергоэффективности работы экскаваторов актуально для практики и рассмотрено в ряде работ. [1 - 5]. На практике основным показателем эксплуатационной энергоэффективности работы экскаватора принят средний удельный расход электрической энергии (ю) за отрезок времени, равный смене, определяемый как отношение потребленной за смену электрической энергии (^см) к объему экскавации горной породы за смену (0см), то есть сменной производительности экскаватора

„ /14

ю см - -—- .

^см

Зависимость юсм(Осм) используется для количественной оценки повышения энергоэффективности работы экскаватора от применения новых технических решений и мероприятий [3]. В работах [6,7,8,9] представлены экспериментальные энерготехнологические характеристики экскаваторов ЭКГ 8И, ЭКГ 15, ЭКГ 20 А, фиксирующие фактическое положение с удельным потреблением электрической энергии при работе экскаватора в конкретных условиях эксплуатации, а также установлены уравнения регрессии зависимости Юсм(Осм).

Оценка энергоэффективности работы экскаватора на стадии его проектирования, а также планирования и нормирования показателей его энергоэффективности при эксплуатации, возможна при наличии методики их расчета. В работах [1,4,8] приведены методы расчета установленной мощности электрооборудования экскаваторов и отсутствуют методы определения энергетических показателей его работы, в частности, удельного расхода электроэнергии. Принятые методы расчета энергетических показателей экскаваторов либо используют экспериментальные данные, верные для конкретных условий [7,9], либо при определении электрической энергии, потребленной электрооборудованием экскаватора, применяется общий для электрооборудования экскаватора коэффициент спроса [8], недостаточно точно характеризующий режимы его электропотребления. При этом не учитывается раздельное потребление электрической энергии по двум каналам - электроприводом основных механизмов и электрооборудованием собственных нужд экскаватора. Кроме того, при определении энергетических показателей не всегда учитывается удельное сопротивление копанию, тип электропривода основных механизмов.

В связи с этим, в работе решается задача разработки методики расчета удельного расхода электрической энергии, потребленной электрооборудованием экскаватора при эксплуатации, максимально учитывающей условия и режимы работы экскаватора.

Из уравнения (1) следует, что средний удельный расход электрической энергии зависит от двух взаимосвязанных параметров: сменной производительности и количества потребленной электроэнергии за смену. Известно, что производительность экскаватора определяется факторами: категорией породы и её состоянием; техническими параметрами, состоянием и надежностью экскаватора; квалификацией машиниста; качеством и параметрами забоя (высотой, условиями подхода транспорта к месту погрузки, освещенностью); организацией работ и т.д.

В работе, на основе уравнений для теоретической Qт, технической Qтex производительности [1,10,11,12,13], предложено определять эксплуатационную сменную производительность экскаватора с учетом всех перечисленных ранее факторов по формуле :

Qсм = бО^йгТсм^КэкКз^Ки , м3/см,

где Е - емкость ковша, м3; п =б0/1ц - число ковшей экскаватора, разгружаемых в минуту; 1ц - длительность цикла работы экскаватора при копании, включающая сумму длительностей черпания, поворота на выгрузку, и поворота на забой; Тсм - продолжительность сменной работы экскаватора; Кэк, Кз - коэффициенты экскавации и забоя.

Коэффициент внутрисменного использования (Ки) по времени экскаватора, определяется по формуле:

Ки = 1 -

где Тв - среднее время восстановления экскаватора после отказа в смену, равное Тв = (1-Кг)Тсм ; Кг - коэффициент готовности экскаватора; 1; сг - длительность санитарно-гигиенических операций; 1™ - длительность технического обслуживания и переналадки оборудования экскаватора; 1«р , 1 оэ - длительность простоев, соответственно, организационных и из-за отказов системы внешнего электроснабжения; 1дт - длительность дополнительно необходимых технологических операций (планировка полки, нарез съезда и т.д.). Все параметры уравнения приведены к сменному времени работы экскаватора.

Электрическая энергия, потребляемая электрооборудованием экскаватора, расходуется электроприводом основных механизмов (подъема, напора, вращения и перемещения) на разрушение и доставку горной массы в транспортное средство и электрооборудованием его вспомогательных систем - освещения, отопления, вентиляции и так далее.

На основании анализа режимов работы электрооборудования экскаватора за смену для расчета потребляемой им электроэнергии разработана приведенная нагрузочная диаграмма, рис. 1.

На диаграмме представлены средневзвешенные значения мощности, потребленной электрооборудованием: Р пнв - суммарная мощность электропривода, подъема, напора и вращения в режиме копания; Рсн, Рсн' - мощность вспомогательного электрооборудования, соответственно, в режимах копания и перемещения; Р - мощность электропривода при перемещении экскаватора; Рсг, Рв, Рто, Рдто, Рор - мощности вспомогательного электрооборудования, соответственно, в режимах санитарно-гигиенических процедур персонала, восстановления оборудования после отказов, технического обслуживания, выполнения дополнительных технологических операций, организационных простоев.

По заданным параметрам режима работы экскаватора (Т в , "1сг , "Ьго, "1ор, 1дт, "1оэ ) и приведенной нагрузочной диаграмме (рис.1) определяются временные параметры диаграммы - первоначально находится приведенная суммарная длительность непрерывной работы экскаватора за смену:

1нр = 1р+1п =Тсм -

затем суммарная длительность копания экскаватора в смену:

_ 1нр^Кз

и суммарная длительность перемещения экскаватора в смену:

= 1нр — 1р .

Электрическую энергию, потребляемую электрооборудованием экскаватора за смену предложено определять по формуле:

'см = ^пнвЧрЧц"Ь%нв-1 + РпЧп-%-1 НтуГ1 +

+

где 'пнв - механическая энергия, необходимая для копания (черпания) основными электроприводами экскаваторов за цикл работы; %нв, % , цту1 , цту2 - соответственно, КПД электроприводов, основных механизмов, привода перемещения (хода), силового трансформатора и трансформатора собственных нужд.

Рис. 1. Приведенная нагрузочная диаграмма электропотребления электрооборудованием экскаватора

Механическая энергия копания за один цикл работы ' пнв для одноковшового экскаватора рассчитывается по методике [1.4].

На основе полученных уравнений, методика расчета удельного расхода электроэнергии одноковшового экскаватора за смену включает задание условий и параметров режима работы экскаватора, определение по формулам (2), (3) сменной эксплуатационной производительности и электрической энергии, затрачиваемой на работу экскаватора в течение смены и вычисление удельного расхода по формуле (1).

По предложенной методике для экскаватора ЭКГ8И были рассчитаны электро-технологичские характеристики для трех значений удельного сопротивления копанию, при заданных значениях режима параметров (угол поворота на разгрузку 90°, 1сг=60 мин, 1то=40 мин, Тв=20 мин, Кг=0,96) и изменении длительности организационных простоев от 8 до 30% от длительности смены, рис. 2. Производительность на рис.2 представлена в относительных единицах Q* = 0/0тех . Расчетные значения удельного расхода электрической энергии сравнены с экспериментальными данными, полученными при работе экскаватора ЭКГ8И в условиях разреза Восточно-Бейский ОАО «СУЭК Хакасия» (удельные сопротивления копанию 0,5-0,6^ 105 Па).

Из сравнения расчетных и экспериментальных данных для зависимости Ю^), следует, что точность расчета сменного удельного расхода электрической энергии по предложенной методике составляет 9... 16%.

Из анализа энерготехнологических характеристик экскаватора ЭКГ8И, рис. 2, при работе с удельным сопротивлением копанию от 0,5^ 105 Па до 2,5^ 105 Па следует: минимальное значение удельного расхода электрической энергии экскаватора имеет место при его работе с эксплуатационной производительностью в диапазоне от Qтех до

0,75 Qтех , при этом увеличение расхода составляет 3,0...3,5% ; с уменьшением эксплуатационной производительности до 0,5 Qтех удельный расход резко возрастает до 28% от минимального значения; при работе экскаватора ниже 0,25 Qтeх удельный расход электрической энергии увеличивается в два и более раз; характер закономерности повышения удельного расхода электрической энергии с уменьшением производительности сохраняется и с увеличением удельного сопротивления копанию.

Рис. 2. Зависимости удельного расхода электрической энергии от производительности экскаватора при удельном сопротивлении копанию: 1- 2,5105 Па; 2- 1,5105 Па; 3- 0,5105 Па

Аналогично рассчитываются зависимости удельного расхода от производительности при изменении других режимных параметров - длительности восстановления экскаватора (Тв), длительности технического обслуживания и т.д. Например, повышение надёжности экскаватора ЭКГ8И, оцениваемое увеличением коэффициента готовности с 0,8 до 096, приводит к снижению удельного расхода электрической энергии по линейному закону на 9,5%. Оценка применения в качестве электропривода основных механизмов экскаватора частотно-регулируемого асинхронного электропривода взамен системы постоянного тока «генератор-двигатель» приводит к снижению среднего эксплуатационного удельного расхода электрической энергии экскаватором на 20.26%.

Таким образом, разработанная методика позволяет с достаточной точностью рассчитать сменный удельный расход электрической энергии экскаватора, а значит энергоэффективность его работы, при изменении его режимных и технических параметров. Методика применяется при планировании и нормировании энергоэффективности работы экскаваторов.

Список литературы

1. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров. М.: Изд-во МГГУ, 2007. 680 с.

2. Комиссаров Л.П., Летунова Ю.А., Лукашук О. А., Телиман И.В. Обоснование рабочей характеристики карьерного экскаватора. Горное оборудование и электромеханика, 2017. №2. С. 31-35.

3. Петухов С.В., Ляхомский А.В., Кузнецов А.Н. Энерготехнологические профили экскаваторных работ при разработке угольных месторождений. Горное оборудование и электромеханика, 2017. №6. С. 11-16.

4. Чулков Н.Н. Расчет приводов карьерных машин. М.: Недра, 1987, 196 с.

27

5. Малафеев С.И., Малафеев С.С., Серебренников Н.А. Моделирование энергетических процессов в механических системах одноковшовых экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика, 2011. №5. С. 24-29.

6. Малафеев С.С. Повышение энергетической эффективности работы электроприводов мехатронных карьерных машин с дистанционно-автоматическим управлением. Диссертация на соискание степени кандидата техн. наук. М., 2012, 200 с.

7. Кватинидзе В.С., Антонов Ю.А., Корецкий В.Б. Чупейкина Н.Н. Экскаваторы на карьерах - конструкция, эксплуатация, расчет. М.: Горная книга, Изд-во МГГУ. 2009. 409 с.

8. Чеботарев Н.И. Электроснабжение и электрооборудование открытых горных работ. М.: Горная книга. Изд-во МГГУ. 2008. 516 с.

9. Камалов Т.С. Методы нормирования удельных расходов электрической энергии и энергоэффективности карьерных экскаваторов - eLibrary, 2016.

10. Козярук А.Е., Васильев Б.Ю. Методы и средства повышения энергоэффективности машин и технологий с асинхронными электроприводами. // Челябинск. Вестник Южно-Уральского Государственного Университета. Серия: Энергетика. 2015. С. 115120.

11. Стефанов В.К., Игумнова С. А., Антоненков А.В. Удельный расход электрической энергии карьерных экскаваторов работающих в условиях крайнего Севера. // Горный информационно-аналитический бюллетень. Изд-во Горная книга, 2011. №6. С. 18-21.

12. Козярук А.Е. Направления повышения энергоэффективности эксплуатации экскаваторно-автомобильных комплексов на открытых горных работах // Горное электрооборудование и электромеханика. 2014. №1. С. 6-11.

13. Komissarov A.P., Lagunova Y.A., Lukashuk O.A. Evaluation of Single bucketed excavators energy consumption // Procedia Engineering, 2016. Vol. 150. P. 1221-1226.

Бабокин Геннадий Иванович, д-р техн. наук, профессор, babokingi-nov@yandex.ru Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

METHOD OF CALCULA TION OF ENERGY EFFICIENCY OF SINGLE-BUCKET EXCA VA TOR WITH ELECTRIC DRIVE

G.I. Babokin

The method of calculation of the operational replaceable specific consumption of electric energy of a single-bucket excavator with a mechanical shovel, taking into account separately the energy consumption of the main and auxiliary mechanisms of the excavator and the parameters characterizing the conditions, operating and technical parameters of the excavator, which allows to determine the energy efficiency of the excavator. The dependences of the average replacement specific consumption of electric energy during operation of the excavator in the function and performance of specific resistance to digging.

Key words: method, energy efficiency, specific consumption of electric energy, excavator, electric drive.

Babokin Gennady Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, babokingi-nov@yandex. ru Russia, Moscow, National University of Science and Technology "MISIS"