Условия обеспечения энергоэффективного резонансного режима ЭМС вращателя бурстанка

© Н.Г. Пейль, В.Н. Фащиленко, 2009

Н.Г. Пейль, В.Н. Фащиленко

УСЛОВИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО РЕЗОНАНСНОГО РЕЖИМА ЭМСВРАЩАТЕЛЯ БУРСТАНКА

Проведены исследования в области энергосбережения средствами электропривода для класса горных машин, применяемых для разрушения горного массива.

Ключевые слова: разрушение горного массива, энергоэффективность, электропривод, резонансные явления.

А нализ работ в области оптимального разрушения горного

Ул* массива показывает, что при создании совершенных приводов горных машин необходимо решать сложные задачи динамики структурного и параметрического синтеза, добиваясь оптимальности системы. При этом учитывается целый ряд ограничений и основная особенность - случайный характер внешних воздействий.

Это требует комплексного подхода и порой нестандартных решений. Одним из путей повышения энергоэффективности работы электропривода является использование резонансных явлений, связанных с вибрацией горного оборудования.

Применительно к электромеханическим системам явление резонанса можно использовать для процессов разрушения горных пород, в том числе и для станков шарошечного бурения.

Через определённые интервалы, характерные для конкретных условий (физико-механические свойства породы, параметры долота, разница в диаметре долота и штанг, режимы бурения и т. д.), при совпадении частот собственных и возмущающих колебаний в буровой системе возникают колебания на резонансной частоте, характеризующиеся всплеском с двух-, трёхкратным увеличением амплитуды. Это отрицательно влияет на динамику бурстанка.

Резонансные явления в буровой системе, обусловленные возмущающими колебаниями, предлагается оптимизировать посредством электромеханических процессов, с целью улучшения энергетических характеристик электропривода.

Это должно позволить:

1. снизить удельные энергозатраты,

2. повысить производительность машин и установок за счет выбора оптимального режима резания,

3. обеспечить экономию режущего инструмента.

Доказано, что снижение потребления электроэнергии возможно, если коэффициент динамичности кді > 1. Средняя экономия электроэнергии при этом может быть на уровне 30 - 35%.

Основной задачей управляемого резонансного режима является обеспечение таких нагрузок в кинематических цепях механизма вращателя, чтобы они не превышали предельно возможных. Наиболее оптимальные значения коэффициента динамичности по току составляют 1,1 - 1,4.

Разработана рациональная структура ЭМС вращателя бурового станка СБШ-250 в управляемом резонансном режиме.

Эта адаптивная система управления осуществляет настройку ЭМС на резонанс и удерживает в точке резонанса при постоянных заданных оптимальных значениях к^ независимо от частоты возмущающих воздействий.

Экспериментальные исследования электромеханической системы бурового станка с рациональной структурой активного управления электромеханическими характеристиками осуществлялись на Лебединском ГОКе в реальных условиях работы бурового станка СБШ-250МН.

Настройка схемы на резонанс производилась путём изменения параметра гибкой отрицательной обратной связи по току.

Схема настроена на околорезонансный режим с коэффициентом динамичности по току ^>^=1,4.

Бурение производилось на породах крепостью 17 по шкале М.М. Протодьякова. Измерялись: потребление электрической энергии; глубина бурения; скорость бурения.

График потребления электроэнергии при бурении на одной скважине представлен на рис. 1. Замеры производились каждые 3 мин.

80 60 40 20 0 -20

Рис. 1. График потребления электроэнергии вращателем бурстанка: 1, 2, 3, 4 -

бурение в обычном режиме; 5, 6 - бурение в резонансном режиме

Технико-экономические показатели работы бурового станка

Режим Удельное по- Скорость Время

бурения требление бурения бурения

кВт ч/м м / мин. 1м/мин.

обычный 6,3 0,119 8,4

в резонансе 3,4 0,153 6,54

Проходка за периоды работы в обычном режиме 1,2,3,4 составила 12 м, за периоды работы в резонансном режиме 5,6 - 5,5 м.

Результаты анализа данного графика приведены в таблице.

Расчёты выявили следующие показатели энергоэффективности:

- экономия электрической энергии - 46%;

- увеличение скорости бурения - на 22%;

- среднее снижение нагрузки по мощности на двигатель -31,6%.

Таким образом, применение ЭМС вращателя бурового станка с рациональной структурой регулируемого резонансного режима по критерию минимума потребляемой электроэнергии подтвердило значительный энергосберегающий эффект при разрушении горных пород.

4 7 101316192225283134374043464952555861

1

Рис. 2. Адаптивная схема управления ЭМС вращателя бурового станка в регулируемом резонансном режиме

Однако во время проведения эксперимента возникли режимы работы электропривода, нарушающие технологический процесс.

В режиме технологического останова ЭМС стал происходить обратный ход электродвигателя за счёт заведения гибкой отрицательной обратной связи по току, поскольку сигнал управления прибрёл отрицательное значение, т.е. иупр < 0. Такое явление возможно в результате усиления электромагнитных шумов, наведённых помех.

Следовательно, подключение гибкой отрицательной обратной связи по току необходимо выполнить при иу > 0, и должно быть её отключение при иу = 0.

Возникла задача доработки существующей схемы. Наиболее оптимальный путь - создание при пуске ЭМС задержки на срабатывание системы управления по времени и току. С этой целью в схему вводится релейный элемент. На рис. 2 представлена адаптивная схема управления с учётом требуемых условий пуска.

По сравнению с ранее существовавшей схемой введён дополнительный релейный блок РЭ. Блок РЭ должен создать задержки для срабатывания системы управления по току 1я = (50 ^ 250 А), по времени до 5 -Н0 сек.

Применение релейного блока позволит подключить адаптивную схему управления после подачи сигнала управления, что исключит возникновение обратного хода вращателя бурового станка.

Значительные динамические нагрузки, возникающие, в резонансных режимах оказывают негативное воздействие на работу буровых станков. Однако в случае регулируемого резонансного режима возможно уменьшение коэффициента динамичности до значений, близких к кд,,-^=1,0. При таких значениях коэффициента динамичности буровой станок работает в обычном для него режиме, тем не менее, можно утверждать, что потребление электроэнергии и в этом случае будет снижено из-за присутствия эффекта резонансного режима.

В системе, работающей в резонансном режиме, потенциальная энергия не рассеивается, как это осуществляется при демп-

фировании колебаний в электромеханической системе, а целенаправленно используется для разрушения горного массива. При постоянстве энергетического баланса процесса разрушения снижается доля кинематической энергии, следовательно, и удельные энергозатраты.

N. G. Pejl, V.N. Faschilenko

CONDITIONS OF MAINTENING POWER EFFECIENT RESONANT MODE OF DRILL ROTATOR EMC*

Researches in the field of energy-efficiency at the expense of the electric drive of mining machines class used in massif destruction are conducted.

Key words: massif destruction, power efficiency, electric drive, resonant phenomenon.

___ Коротко об авторах __________________________

Пейль Н.Г. - доцент кафедры ЭЭГП,

Фащиленко В.Н. - профессор кафедры ЭЭГП, Московский государственный горный университет, Moscow state mining university, Russia, ud@msmu.ru

A