Моделирование режимов работы гидропривода механизированной крепи

УДК622.285.5

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГИДРОПРИВОДА МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ

А. А. Подколзин

Моделирование режимов работы гидропривода крепи при выполнении операций технологического цикла на основе анализа факторов, влияющих на надёжность и эффективность функционирования гидропривода, позволило установить основные режимы работы, определить динамические параметры переходных процессов и их влияние на гидрооборудование, сформулировать и предложить рациональную конструкцию гидропривода.

Ключевые слова: механизированная крепь, гидросистема, гидропривод, функционирование, совершенствование, моделирование, надёжность, эффективность, рекомендации.

Объектом моделирования режимов работы являлся гидропривод механизированной крепи очистного комплекса КМЛ, предназначенного для отработки угольных пластов применительно к условиям Кузнецкого угольного бассейна. Необходимость анализа режимов работы была связана с тем, что в процессе эксплуатации комплекса наблюдался значительный выход элементов гидрооборудования из строя. По мнению ряда специалистов, это явилось следствием того, что на шахте была увеличена длина комплекса(с 200 до 289 м)и установлена другая насосная станция. Вместо насосной станции СНЕ 180/32 (номинальная подача Q = 3 дм /с; рабочее давление Рнст = 32 МПа, мощность привода = 110 кВт) была установлена станция ЕНР 3К-200/53 ^ = 5,15 дм3/с; Рнст = 35,7 МПа, = 200 кВт).

Задача исследований заключалась в определении режимов работы гидропривода крепи при различных сочетаниях насосных станций и длин лав, а также в разработке рекомендаций по совершенствованию гидросистемы, обеспечивающих повышение функциональной надёжности и эффективности работы.

При моделировании были исследованы:

- режимы работы гидропривода для лав длиной 200 м или 289 мс насосными станциями СНЕ или ЕНР;

- параметры инерционной характеристики гидросети для первой и последней секций крепи лавы для операции "передвижение секции крепи";

- переходные процессы в гидроприводе для основных операций технологического цикла (осадка, распор и передвижка секций) для первой и последних секций в лавах различной длины;

- переходные процессы при передвижке конвейера "волной".

При исследовании переходных процессов в гидросистеме необхо-

димо учитывать величину геодезического напора в лаве, в качестве приведённой непосредственно к поршню гидромеханизма.

Величина геодезического напора определяется по формуле:

P = р gh = р g L л sin а,

3 2

где р - плотность жидкости, кг/м ; g - ускорение свободного падения, м/с ; h - перепад высот между нижней и верхней точками лавы, м; Ьл - длина лавы, м; а - угол падения лавы, град(150).

Для условий лавы шахтоуправления ОАО "ИК "Шахта Соколовская" для крепи длиной 200 м эта величина составляет 0,51 МПа, для крепи 289 м - 0,73 МПа.

Потери давления в гидросистеме определяются по формулам:

А р = А рт + А рм,

где Дрт- потери давления на трение, МПа; Дрм- потери давления на местных сопротивлениях, МПа.

Потери давления на трение по длине при развитом турбулентном потоке рассчитываются по формуле Дарси-Вейсбаха:

А л L ри2

Д Рт = V, d 2

где X - коэффициент сопротивления, L - длина трубы, м; d - внутренний диаметр, м; и - средняя скорость потока жидкости, м/с.

Потери давления в местных сопротивлениях рассчитываются по формуле Вейсбаха

д Рмр22,

где £ - коэффициент местного сопротивления, зависящий от формы проточной части и числа Рейнольдса.

Потери давления и коэффициенты потерь давления по рекомендациям [1] суммируются по напорному и сливному участкам гидросети при одном и том же значении расхода. В общем случае для гидромагистралей напора, слива:

n

А Рн,с = !А Рн,с i = i=1

"н ,с

X Сн ,с i i=1

Q *,

где Сн-, Сс - соответственно коэффициенты потерь давления, приведённые по напорной и по сливной гидролиниям; пн,с- количество участков по напорной и по сливной гидролиниям; у - показатель степени.

Коэффициенты потерь давления импортного оборудования были определены на основе их паспортных характеристик. Коэффициенты потерь давления в местных сопротивлениях были определены по справочнику [2].

Расчет полных потерь давления в гидроцепи был выполнен для

операции передвижение последней секции крепи. Результаты расчета показали, что в связи с изменением длины лавы и применением другой насосной станции потери давления в гидросети при реализации полного расхода увеличиваются в 2,3 раза (с 13,73 МПа до 31,52 МПа).

Расчёт инерционной характеристики произведён для первой и последней секций крепи лавы длиной 289 м для операции передвижение секции крепи. Этот выбор обусловлен тем, что скорость крепления кровли, обусловленная во многом длительностью передвижения секции, оказывает основное влияние на производительность и эффективность работы комплекса.

Известно, что перемещение крепи происходит при переменной нагрузке на шток гидродомкрата передвижения. Любое изменение нагрузки приводит к соответствующему изменению величины рабочего давления в гидромагистралях, изменению скоростей движения секции крепи и рабочей жидкости в магистралях, возникновению в них колебательных переходных процессов.

При принятом монотонном изменении нагрузки на шток эту зависимость можно выразить в следующем виде

R = R0 ± is,

где R и R0 - соответственно текущая и начальная нагрузка на шток гидроцилиндра передвижения секции (сопротивление движению секции), кН; i-коэффициент пропорциональности; s - путь (перемещение) штока гидроцилиндра, м.

Положительное значение i означает увеличение нагрузки, отрицательное - уменьшение.

Коэффициент i определяем по соотношению

•=dR=F dR=1 dR

ds Q dt и dt ' где F- активная площадь гидроцилиндра передвижения, м2; Q- текущий расход жидкости, м3/с.

Если изменение внешней нагрузки не будет монотонным, то она будет включать участки с R = const, т. е. dR/ds = 0 или dR/ds = да при мгновенно падающей или при мгновенно возрастающей нагрузке.

Инерционной характеристикой Рин гидросети является уравнение:

n ,,d и ..d2 s Р = М— = М—-и" dt dt2 '

где М - приведённая масса перемещающихся элементов, кг.

В выражении (8) масса М является приведенной к площади поршня напорной полости гидромеханизма. Она учитывает массу движущейся рабочей жидкости и подвижных элементов секции крепи. Приведение масс производят на основании равенства кинетических энергий поступательных

181

движении по исполнительному механизму и элементам приведения

г

М

i мг

г=1

г \ иг

2

V ип у

М% + Мж

где г - число приводимых элементов; М1 - масса г-го приводимого элемента; - скорость приводимого элемента (центра тяжести); ип - скорость точки приведения; М% - приведённая масса механических элементов; Мж -приведённая масса рабочей жидкости.

Приведенная масса при подводе рабочей жидкости в поршневую или штоковую полость определяется по выражениям:

М ж.п =

/

Рн Ь

пр.н

в

\

2

п

V ^т.н У

/

+ Рс Ь

пр. с

в

2

п

V ^т.с у

а

о + Рн ^0

М ж.ш = ^п

Г

рн Ьпр.н

в

\

2

п

V ^т.н у

а о+р

с Ьпр.с

в

2

п

V ^т.с у

+ Рс ^0

где ^п - площадь поршня, м2; рн, рс - плотность рабочей жидкости в напорной и сливной магистралях, кг/м ; Ьпр.н, Ьпрс - общая приведённая длина всех трубопроводов от насосной станции до гидромеханизма, м; вп - диаметр поршня, м; ^т.н, dт.с - диаметры трубопроводов приведённой длины, м; ао - коэффициент мультипликации расходный; 5*0 - шаг подвигания (секции или конвейера) на забой, м.

Приведенная длина трубопроводов определяется по формуле

Ь

пр

г

iЬ

г=1

V ^г у

где Ьпр и d - длина и диаметр того трубопровода, к которому приводится труба с di и Ьг, м.

Результаты расчета приведенной длины трубопроводов и приведённой массы показывают, что величина общей приведённой массы для последней секции крепи весьма велика, что приводит возникновению динамических нагрузок и возникновению колебательных возмущений в магистралях. Значения приведённой массы можно снизить за счет изменения конструкции гидросети, при которой производится прокладка обводных напорной и сливной гидролиний с последующим объединением их в конце лавы с соответствующими гидромагистралями. При этом оптимальной является несимметричная конструкция гидромагистралей. Суммарная длина напорной или сливной гидролиний станет равной 359 м, что составляет 83,68 % от длины при симметричных магистралях.

Промежуточные результаты моделирования показали, что, несмот-

ря на снижение динамических параметров, они оставались ещё значительными. Дальнейший анализ полученных величин показал, что в этом случае на динамику приведенных масс жидкости большое влияние оказывает гидроразводка по секции крепи. Произведя замену рукавов ёу 20 на рукава ёу 25, получим рациональные приведённые длины гидромагистралей и приведённые массы движущихся частей для лавы длиной 289 м с новыми параметрами гидросети и гидроразводки. Изменение магистралей гидросети крепи и части гидроразводки по секции позволило снизить общую приведённую массу: для первой секции крепи в 1,76 раза, а для последней секции - в 1,64 раза.

В связи с высокими скоростями течения жидкости в трубопроводах гидросети крепи, применением быстродействующей распределительной аппаратуры, а также со значительными параметрами инерционной характеристики особое значение приобретают вопросы, связанные с эффектом гидравлического удара. Забросы давления снижают ресурс работы трубопроводов и гидроаппаратуры, а в отдельных случаях могут вызвать их разрушение. Переходные процессы в гидросистемах с насосами постоянной производительности в основном обусловлены периодическими срабатываниями автомата разгрузки насоса, переключающими насосы на рабочий или холостой режим. Аналогичные процессы получаются и при переключении быстродействующих гидрораспределителей.

При определении величины пикового давления в гидросистеме были рассмотрены случаи возмущения, вызванные скачкообразным изменением скорости жидкости, при котором гидравлический удар достигает максимального значения.

При мгновенном закрытии затвора повышение давления в трубопроводе определяется по формуле Жуковского [3]:

А Рп =Р жи С ,

где рж - плотность жидкости, кг/м3; и - средняя скорость движения жидкости, м/с; С - скорость распространения ударной волны, м/с.

Средняя скорость и потока рабочей жидкости определяется по формуле:

46

3

где 6 - расход, м /с; с1 - диаметр трубопровода, м.

^2 ов

Скорость ударной волны определяем по формуле:

С =

^пр

\ р р

где Епр - приведённый модуль упругости системы "рукав-жидкость", МПа. Приведенный модуль упругости определяется по формуле [5].

1 1

• +

Епр Епрр Ебэ

где Епрр - приведённый модуль упругости рукава, МПа; Езэ - приведённый модуль эмульсии, МПа.

Плотность рабочей жидкости при ? = 20 0С и давлении Рн = 32,0 МПа определяется по формуле:

Р0

р Р

1 - к-А Р

где рр - плотность рабочей жидкости при рабочем давлении, кг/м3; р0-плотность рабочей жидкости при атмосферном давлении, кг/м ; к - коэффициент объемного сжатия.

Скорость распространения ударной волны составляла 941 м/с. Величина пикового давления, возникающая в конце напорной магистрали, определяется по формуле:

Р = Р + АР

тах ^ п '

где Р0 - начальное давление; АРп - величина повышения давления при гидроударе.

Установлено что, величина пикового давления для насосных станций ЕНР на 17,2 % превышает аналогичные значения для станций СНЕ.

Время задержки расхода в конце в конце магистрали определяется по формуле:

^ = —м

'зр С '

где —м - приведённая длина магистрали, м;С - скорость распространения ударной волны, м/с.

— = — + — -12

м т г 2 ,

где —т - длина транзитного участка магистрали, м; — - длина лавы (Ь1 = 200 м, Ь2 = 289 м); 11 - шаг установки секции крепи, м; 12 - длина рукава между секциями крепи, м.

Полный период трубопровода Т определяется по формуле:

Т = 21

1 ^1зр>

где - время задержки расхода в конце магистрали.

В результате моделирования было установлено, что для лавы длиной 200 м время 1зр = 0,444 с, а период трубопровода Т = 0,887 с. Для лавы длиной 289 м соответственно - 1зр = 0,584 с, а Т = 1,169 с.

Время закрытия гидрораспределителя при применении электрогидравлической системы управления не превышает 1пер = 0,02 с. В тех случаях, когда Т > 1пер имеет место прямой гидравлический удар.

Следует отметить, что гидравлические удары со значительными за-

1

бросами давления могут развиваться и в сливных магистралях. При снижении давления рабочей жидкости в напорной части гидросети возможно реверсирование направления движения жидкости в сливной магистрали.

Как показали расчеты, аккумуляторов насосной станции и собственной аккумулирующей способности рукавов высокого давления оказалось недостаточно. Был произведен оценочный расчёт параметров дополнительного гидроаккумулятора [2]. Результаты расчета для различных расходов и длин магистрали показали, что для станции ЕНР требуется дополнительный гидроаккумулятор ёмкостью не менее 50 дм3, а для станции ЕНР в 1,72 раза меньше.

Моделирование переходных процессов при передвижении секции крепи (рис. 1) осуществлено с учётом инерционных потерь давления и упругости гидросети. При моделировании процессов было также учтено, что в крепи установлена защита гидрооборудования секции от давления слива применением специальных обратных гидроклапанов. Характеристика на-гружения принята типовой в соответствии с рекомендациями [1, 4].

Рис. 1. Режимы работы гидропривода при передвижении последней секции крепи: а - насосная станция СНЕ, б - насосная станция ЕНР

Q иР - подача и давление, развиваемые насосной станцией; £ - перемещение поршня гидроцилиндра передвижения;

Т - сопротивление передвижению секции

Анализ переходных процессов при передвижке секции крепи показал, что насосные станции значительную часть цикла работает в чистом аккумуляторном режиме (до 50 % для насосной станции СНЕ и до 65 -70 % - для ЕНР). Расход жидкости в этом режиме не зависит от номинальной подачи насосной группы.

Кроме того, было установлено, что возможная номинальная подача насосной станции ЕНР полностью ни разу не была реализована. Выполненные исследования позволили сделать вывод о том, что для гидропривода крепи КМЛ оптимальным является значение расхода 0,0023 ... 0,0025 м /с, т. е целесообразность применения насосной станции ЕНР не подтверждена.

При исследовании переходных процессов при передвижке конвейера (рис. 2) было принято: передвижение осуществляется "волной", длина волны 10 секций, внешняя нагрузка постоянна, рассматриваются последние 10 секций в лавах длиной 200 и 289 м.

343 12 3 3 ^ 9

Рис. 2. Фрагмент переходных процессов при передвижке конвейера "волной ": а - насосная станция СНЕ, б -насосная станция ЕНР

На основе анализа результатов моделирования были предложены следующие рекомендации: для снижения инерционных масс и потерь давления в гидросети необходимо изменить ее конструкцию, при котором производится прокладка обводных напорной и сливной гидролиний, при этом более целесообразной является несимметричная конструкция гидромагистралей. Такое решение позволяет значительно снизить динамические проявления в гидроприводе крепи и снизить выход из строя гидрооборудования. Кроме этого, для повышения эксплуатационной надёжности оборудования рекомендуется выполнить более действенной защиту гидрооборудования секции от слива. Для повышения скорости крепления очистного забоя целесообразно изменить гидроразводку по секции крепи в линиях подвода к гидродомкрату передвижения. Для длинных лав целесообразно применять насосные станции с изменяемой (ступенчатой) производительностью.

Список литературы

1. Гидросистемы механизированных крепей. Гидравлические расчеты. Руководящий документ РД 42.010 - 86. М.: Гипроуглемаш, 1987. 193 с.

2. Ковалевский В.Ф., Железняков Н.Т., Бейлин Ю.Е. Справочник по гидроприводам горных машин. М.: Недра, 1973. 504 с.

3. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика: Справочное пособие. М.: Книга по Требованию, 2012. 671 с.

4. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М. Башта [и др.] // 4-е изд. М. "Издательский дом Альянс", 2010. 423 с.

5. Расчёт и конструирование гидроприводов механизированных крепей / Ю.Ф. Пономаренко [и др.] //под общ. ред. Ю.Ф. Пономаренко. М.: Машиностроение, 1981. 327 с.

6. Тесленко А.И. Основы гидравлических расчетов механизированных крепей. М.: Недра, 1974. 216 с.

7. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-хт. Т. 3. М.: Машиностроение, 1992. 720 с.

8. Подколзин А.А., Сафронов В.П. Оптимизация динамических характеристик гидросети механизированной крепи // Известия Тульского государственного университета. Технические науки.2013. Вып. 12. Ч. 2.С. 294-298.

9. Подколзин А. А. Оптимизация гидросистемы механизированной крепи по параметрам взаимодействия с кровлей очистного забоя // Сб.трудов XVII Международ. науч. конф."Математические методы в технике и технологиях - ММТ-17": В 10 т. Т.5. Секция 5 / под общ. ред.

B.С. Балакирева. Кострома: Изд-во Костромского гос. технол. ун-та, 2004.

C. 138-140

10. Подколзин А. А. Определение параметров инерционной характеристики гидросети крепи // Труды Новомосковского института РХТУ им. Д.И. Менделеева. Сер. Инженерная механика, материаловедение и надёжность оборудования.РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковский ин-т, 2008. Вып. 7 (20). С. 105 - 106

11. Подколзин А.А., Гражданкина Т.В. Повышение уровня обоснованности параметров гидросистем механизированных крепей // Электроснабжение, электросбережение и электроремонт: Тез. докл. / под общ. редакцией Б.И. Кудрина, Б.В. Жилина.Новомосковск: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2000. С. 51 - 52.

Подколзин Анатолий Алексеевич, д-р техн. наук, проф., apodkolzinanirhtH.rii, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева»

MODELING OPERATION MODES OF THE HYDRAULIC DRIVE POWERED

ROOF SUPPORT

A.A. Podkolzin

Modeling of the modes of operation of the hydraulic drive of a support at performance of operations of a technological cycle on the basis of the analysis of the factors influencing reliability and efficiency of functioning of a hydraulic drive allowed to establish the basic modes of operation, to define dynamic parameters of transients and their influence on hydraulic equipment, to formulate and propose the rational structure of a hydraulic drive

Keywords: mechanized support, hydraulic system, hydraulic drive, operation, improvement, modeling, reliability, efficiency, recommendations

Podkolzin Anatoly Alekseevich, Doctor of Technical Sciences, Professor, apodkol-zin@nirhtu.ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute of "Russian chemical-technological University Named after D. I. Mendeleev"

Reference

1. Hydrosystems of mechanized supports. Hydraulic calculations. Guideline document RD 42.010 - 86. M .: Giprouglemash, 1987. 193 p.

2. Kovalevsky VF, Zheleznyakov NT, Beilin Yu.E. Handbook on hydraulic drives of mining machines. Moscow: Nedra, 1973. 504 p.

3. Bashta TM Mechanical engineering hydraulics: A reference book. M .: The book on Demand, 2012. 671 p.

4. Hydraulics, hydraulic machines and hydraulic drives: A textbook for machinebuilding universities / Т.М. Bashta [et al.] // 4th ed. M. "The Publishing House Alliance", 2010. 423 p.

5. Calculation and construction of hydraulic drives of mechanized supports / Yu.F. Ponomarenko [and others] // under the general. Ed. Yu.F. Ponomarenko. M .: Mechanical Engineering, 1981. 327 p.

6. Teslenko A.I. Fundamentals of hydraulic calculations of mechanized supports. M.: Nedra, 1974. 216 p.

7. Anuriev V.I. Handbook of the designer-machine builder: In T. 3. M .: Mechanical Engineering, 1992. 720 p.

8. Podkolzin AA, Safronov V.P. Optimization of the Dynamic Characteristics of the Hydraulic Network of the Mechanized Crepe // Izvestiya Tula State University. Technical science. 2013. Vol. 12. Part 2. Pp. 294-298.

9. Podkolzin A.A. Optimization of the hydraulic system of the mechanized support in terms of the parameters of interaction with the roof of the extraction face / Sb.trudov XVII International. sci. "Mathematical methods in technology and technology - MMT-17": In 10 tons. T.5. Section 5 / under the Society. Ed. V.S. Balaqirev. Kostroma: Publishing house of Kostroma state. technol. University, 2004. pp. 138-140

10. Podkolzin A.A. Determination of the parameters of the inertial characteristics of the hydropower network of the support line // Proceedings of the Novomoskovsk Institute of the Russian Chemical Technical University. DI. Mendeleev University. Ser. Engineering mechanics, materials science and reliability of equipment. DI. Mendeleyev, Novomoskovsky Institute, 2008. Issue. 7 (20). Pp 105-106

11. Podkolzin AA, Grazhdankina ^V. Increase in the level of validity of the parameters of hydraulic systems of mechanized supports // Power supply, power saving and electrical repair: Tez. dokl. / under total. edited by B.I. Kudrin, B.V. Zhilina.Novomoskovsk: Publishing House of Chemical Technology. DI. Mendeleyev, 2000. P. 51-52.