Теоретические основы оперативного метода определения структурных параметров электромеханических систем горных машин

Рис. 5. Схема деки вибросепаратора

Данный режим характеризуется высоким качеством и производительностью процесса вибросепарации. Частицы быстро удаляются от места подачи материала, распределяясь по траекториям движения в зависимости от крупности, образуя широкий веер траекторий. По мере движения вверх по деке скорость движения частиц быстро увеличивается. Таким образом, более интенсивный режим движения частиц позволяет увеличить производительность сепаратора без потери качества. Для сравнения на диаграмме (см. рис. 4) приводятся показатели процесса обогащения для случая равномерного движения деки [5].

При уменьшении центробежной силы амплитуда колебаний уменьшается и составляет вверху деки А=0,63 мм, внизу - А=0,39 мм. Вертикальное ускорение в нижней части виброоргана значительно ниже ускорения свободного падения, в связи с чем происходит нарушение процесса разделения минеральной смеси, практически вся масса которой (после её подачи на виброорган) поступает в нижние приёмные ячейки (см. рис. 4).

Эксперименты, проведенные на других частотах колебаний деки, показали аналогичные результаты.

Таким образом, обобщая результаты исследования, можно сделать следующие выводы. Использование режима неравномерного движения деки при определенных условиях позволяет повысить производительность сепаратора (на 20-30%) и качество разделения. К практическому использованию можно рекомендовать вариант неравномерного движения деки, при котором амплитуда колебаний верхней её части больше, чем нижней. При этом режим движения нижней части деки должен соответствовать оптимальному режиму, установленному для случая равномерного движения. Амплитуда колебаний верхней части деки увеличивается на 40-60 %, например, путем смещения центра тяжести подвижной части сепаратора выше линии действия центробежной силы вибраторов.

1. Лапшин. В.Л., Байбородин Б.А. Аналитическое моделирование процесса разделения руд на вибродеке. Иркутск: Изд-во ИрГТУ,1997. 119 с.

2. Лапшин В.Л., Демаков Е. И., Тельнов Н. В. Исследование неравномерности движения деки вибросепаратора // Научные основы и практика переработки руд и техногенного сырья: материалы Международ. науч.-техн. конф. Екатеринбург : Форт Диалог-Исеть, 2008. С. 214-219.

3. Лапшин В.Л., Демаков Е.И., Тельнов Н.В. Влияние неравномерности движения деки на процесс вибросепарации минерального сырья // Современные технологии освоения

Библиографический список

минеральных ресурсов: материалы XI Международ. конф. (МК-6). Красноярск, 2008. С. 231-237.

4. Демаков Е. И. Лабораторный вибрационный сепаратор с инерционным виброприводом // Вестник ИрГТУ. 2007. № 1 (29). Т.2. С. 14-17.

5. Лапшин В.Л., Тельнов Н.В. Исследование влияния амплитуды колебаний деки на процесс вибросепарации слюдяного сырья // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Изд-во МГГУ, 2010. С. 251-256.

УДК 622.271.4:53.01

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПЕРАТИВНОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ГОРНЫХ МАШИН

А. С. Леоненко1

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Предложен метод оперативного определения постоянных времени элементов и контуров систем регулирования горных машин, что позволяет обеспечить оперативный контроль качества их настройки. Метод и алгоритмы достаточно просты и легко реализуемы современными средствами автоматизации. Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: сезонная наладка систем регулирования; постоянные времени электромеханических систем; метод определения постоянных времени.

1Леоненко Алексей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры систем управления электромеханическим оборудованием горных предприятий, тел.: (3952) 405101, (3952) 423612, 613588, e-mail: suemogp@istu.irk.ru, idfix3@yandex.ru Leonenko Alexey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the chair of Control Systems for Electromechanical Equipment of Mining Enterprises, tel.: (3952) 405101, (3952) 423612, 613588, e-mail: suemogp@istu.irk.ru, idfix3@yandex.ru

THEORETICAL FOUNDATIONS OF A RAPID METHOD TO DETERMINE THE STRUCTURAL PARAMETERS OF ELECTROMECHANICAL SYSTEMS OF MINING MACHINES A. S. Leonenko

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The author proposes a method for rapid determination of the time constants of the elements and mining machine control system loops. This allows to provide a rapid quality control of their settings. The method and algorithms are rather simple and easy to implement with modern automation facilities. 4 figures. 1 table. 3 sources.

Key words: seasonal adjustment of control systems; time constants of electromechanical systems; method to determine time constants.

Одним из основных элементов управления техническим состоянием машин и всей ремонтно-эксплуатационной службы горного предприятия на современном этапе является диагностика. Планово-диагностический метод обслуживания эксплуатируемых машин уже применяется на горных предприятиях, хотя и фрагментарно. В настоящее время используется мониторинг и техническая диагностика по таким косвенным параметрам, как вибрация, шумы, температура, состояние смазочных масел и т.п., по которым и определяют техническое состояние объекта.

Известно, что ухудшение технического состояния машин под действием множества внешних и внутренних факторов приводит к изменению её структурных параметров как механических, так и электрических. Однако измерение и контроль этих параметров не всегда возможны, либо требуют остановки машины или даже разборки узлов. Поэтому разработка теоретических основ оперативного метода определения структурных параметров электромеханических систем (ЭМС) и инженерных методик определения этих параметров является важной задачей контроля технического состояния машины и решения проблемы управления надёжностью и, следовательно, ресурсом.

Основными элементами структурных параметров ЭМС горных машин являются: сопротивление (r), проводимость (а), индуктивность (L), момент инерции (J) и обобщенные динамические параметры - электромагнитная постоянная времени Тэ, а также механическая постоянная Тм, характеризующие основные инерционности системы регулирования. Контролируя величину этих постоянных времени, а также постоянных замкнутых контуров регулирования, можно оперативно контролировать качество настройки систем и своевременно проводить наладочные работы. Оперативный контроль этих параметров требует разработки метода и алгоритма их определения.

Для обоснования необходимости разработки нового метода диагностирования динамических звеньев был проведен анализ существующих методов и выбран наиболее близкий для сравнения и оценки с позиций точности и простоты технической реализации. Таким методом является тестовое диагностирование [2]. Его суть заключается в следующем: пусть диагно-

к,

стируемое звено (ДЗ) имеет вид К,(р) =-.

T,p +1

На его вход подается синусоидальное воздействие, а на выходе, в определенные, произвольно выбранные

моменты времени, фиксируются в статическом режиме значения сигналов на входе и выходе, определяются значения их производных, составляется таблица данных.

Сигналы Моменты времени, t1 и t2,

t1 t2

X c c2

y b1 b2

y' a1 a2

Используя таблицу, получаем систему из двух алгебраических выражений:

Тс1к1 — Ь1;

Т1а2 — С2к1 — Ь2 '

Отсюда значения показателей определяются непосредственно по правилу Крамера:

- Ь1 - С1

T, =

- Ь2 - С2

а, - с,

а2 - с 2

Ъ,с2 - Ь2с1

а2с, а,С2

к = а2 Ъ1 - а1Ъ2

а2с1 а, с2

Недостатком этого метода является необходимость вычисления производной, так как реальное дифференцирование в технических системах связано с решением ряда трудностей, таких как помехозащищенность, устойчивость решения, обеспечение требуемой точности.

Нами разработан метод, лишённый этих недостатков. Суть его заключается в том, что на вход ДЗ подается синусоидальное воздействие и в установившемся режиме фиксируется значение сигнала на входе в моменты времени t1 и t2, соответствующие максимальному и нулевому значению сигнала на выходе, далее по этим значениям вычисляется диагностический параметр по формуле

С

А — ,

С

у=Ут

где Су=0 - значение сигнала на входе в момент времени t1, когда выходной сигнал у=0; С^щ^ - значение сигнала на входе в момент времени 2 когда выходной

сигнал у=утах; Т - период входного синусоидального воздействия.

Возьмем в качестве ДЗ апериодическое звено, например, обмотку возбуждения генератора постоянного тока (система привода «генератор-двигатель»). Уравнение электрического равновесия в обмотке запишется в виде

и = ¡к+, Ж

где и = ит ят(а) ? + ри) - напряжение на обмотке; i = Iт sin(ca ? + ) - ток в цепи обмотки; фи и ф, -

фаза напряжения и тока (угол сдвига).

В установившемся режиме (рис. 1) в точке А ток равен максимальному значению, т.е. ¡=,тах, а производная по току — = 0. Величина сопротивления Я в

Ж

этой точке

к = ^ = ит + (и) = и¡= тдх

Постоянная времени определится как

Здесь U=imax- значение напряжения в точке А, т.е. при токе, равном максимальному.

В точке В ток равен нулю (cot + cpi) = 0,л,2л... Величина индуктивности L в этой точке

L = _= Umsin(ct + уи) = U=o

di/ di/ di/ /dt /dt /dt где Ui=0 - напряжение в точке В, т.е. при токе, равном нулю, с другой стороны:

U = Ь'% = L'd[t [mSin(at2 +?г)] =

= L  a im cos( o>t2 + рг) = L  a  im так как в точке В cos(at2 + pi) = 1, тогда

u Um sin( at2 + Pu) Ut =0

L =

a г„

a г„

a /

'max

U=imax 0

Ui=0

Рис. 1. Кривые тока и напряжения в активно-индуктивной цепи

T = L =

R

U i

^ г =0 ' max

U

г=0

a /

U,

Тс,

где Тс=1/ш - период синусоидального воздействия на входе ДЗ.

Таким образом, для измерения контролируемого параметра необходимо на вход ДЗ подать синусоидальное напряжение, произвести выборку мгновенных значений напряжения в точках, соответствующих нулевому и максимальному значениям тока и по алгоритму (2) найти постоянную времени.

Для обеспечения высокой точности измерения необходимо правильно выбрать величину максимального тока в измеряемой цепи и частоту напряжения задания изад. Ток следует выбирать равным «5% от номинального, а частоту задающего генератора из условия, чтобы угол сдвига р между кривой тока и напряжения был в пределах 35°-45°, что обеспечит высокую точность измерения.

В качестве примера рассмотрим определение постоянной времени цепи обмотки возбуждения Тв генератора привода подъема экскаватора ЭКГ-8И. Система привода «генератор-двигатель с тиристорным возбуждением».

Предварительно аналитически, с использованием известного приближенного выражения, определяем

Lb = 2 pN2

ЛФ

= 4^280'

5,4610 ~

= 2 Гн,

A(l-W) 8,55-10'

где йФ - приращение потока, соответствующее приращению потокосцепления, значения Ü(IW) взяты по характеристике намагничивания генератора из «Инструкции по наладке и ремонту экскаваторов ЭКГ-8И».

Точное значение Le, которое определено с помощью измерителя LCR АМ-3001, составило 2,635 Гн (базовая погрешность прибора ±0,05%).

Рассчитываем сопротивление обмотки возбуждения генератора

U 31

R =—^ =-= 1,61 Ом.

в Ie 19,3

Точное значение Re, найденное с помощью измерителя LCR АМ-3001, составило 1,328Ом.

Расчетная постоянная времени цепи возбуждения генератора

Тв =

2,635

= 1,984 с.

1,328

Расчет параметров по приближенным формулам дает погрешность для Я - 21%; I - 31%; Тв - 60%.

Для экспериментального определения постоянной времени выбираем максимальный ток возбуждения равным 5% от номинального:

I^ = 0,05-1 вном = 0,05-29 = 1,45 А.

Допускаем 1вмак=1 А. Принимаем частоту задающего генератора при условии, чтобы угол сдвига р между кривыми тока и напряжения был в пределах 30°-45°, тогда

i i i

max max

2

хй = 2nfLep = Rp = 1,61 Ом,

f = „ 161 „ = 0,128 Гц.

2nLep 2 • 3,14 • 2 Принимаем /=0,1 Гц, тогда

х 2 • 3,14 • 0,1 • 2 1,256

tgp = — =-=-

R 1,61 1,61

= 0,78;

р — 38 °

Рассчитываем максимальное напряжение генератора

и макген 1вмак ^ в 1 ^ + Х в

— 1 -ф,612 +(1,256)2 — 2,04 В

Зная максимальное напряжение генератора и частоту можно производить измерения.

Используя точные значения параметров Яе, 1в, Тв, произведем расчет по предлагаемому методу:

/ — ^ —-138-— 0,08 * 0,1 Гц.

2жЬв 2  3 , 14  2,635

Рассчитываем:

имакген 1 вмак ^ в 1 ^ ^  + Х в

— 1  ^1,3282 + (6,28  0,1  2,635)2 — 2,121 В.

Тогда

u(t) = Um sin at = 2,121 • sin 0,6294t; i(t) = Im sin(a>t - a) = 1 • sin(0,6294t -a); х„ 1,654

tga =

R„ 1,328

= 1,246; a = 51° 20';

i(t) = 1 • sin(0,6294t - 51° 20'). При токе, равном нулю:

51° 20'

0,6294t - 51°20' =0 - t =-.

0,6294

Рассчитываем: UK=0 = 2121 • sin 51° 20' = 2,121 • 0,7804 =

= 1,655 В. При токе, равном максимуму:

38o40'

0,6294t - 51°20' =90° - t =

0,6294

и1ввма = 2,121• sin 38° 40' = 2,121• 0,6250 = = 1,325 В;

Т = = 1651__L_

в Um=I 1,325 0,6294

= 1,984 с.

Следовательно, значение Тв, полученное по предлагаемому методу, совпадает со значением, рассчитанным по найденным параметрам, с помощью измерителя LCR АМ-3001. Аналитическая проверка разра-

ботанного метода подтвердила правомерность измерения постоянных времени, минуя операцию дифференцирования. Кроме того, измерять необходимо только один параметр - напряжение на входе ДЗ.

Механическую часть ЭМС горных машин приводят к различным расчётным одно-многомассовым схемам. Рассмотрим случай вращательного движения одно-массовой системы. К такой расчётной схеме можно привести по правилам приведения большое число механизмов горных машин, в которых упругими свойствами можно пренебречь (рис. 2).

Мд

a

f

J

Мс

Рис. 2. Одномассовая расчётная схема

Примем, что под действием изменяющегося момента вал совершает гармонические колебания:

ш — шт sin( А), 2п

где у — Т - период колебаний.

В точке А (рис. 3) т.е. при максимальной скорости (ш=шт), производная от скорости равна нулю

(-— 0 ), тогда при М — ко

Ж

к =

Мд = Мт sin(jt + рм )= Ма

a am am

m m

где М — - значение момента в точке А, т.е. при

максимальной скорости .

В точке В скорость равна нулю:

(ш + рЩ) — 0,л,2л____ Величина момента инерции

определится как

Мд — Мдт + (м ) — Мш—0

J =

da.

7dt

da

'dt

da

/dt

где Мш=0 - значение момента в точке В, т.е. при скорости, равной нулю, с другой стороны,

М — — [т^п( + (ш)] —

а1 о1 ,

— JШmУСOs(Уt + (ш) — ¿°тГ так как в точке В cos(+ рш ) — 1, тогда

Мдин — Мдт + (м ) — Мш—0

J =

о -у о -у о -у

т ' т / т '

Следовательно, для экспериментального определения момента инерции необходимо измерить момент

двигателя при скорости, равной нулю, и максимальную скорость .

Рассмотрим пример. Двигатель ДПЭ-82, используемый на механизмах подъёма и напора экскаваторов-лопат. Номинальная мощность Рном=175 кВт, частота вращения номинальная пном=740 об/мин, момент инерции 17 кгм2.

Выбираем частоту у, исходя из фазового угла, который не должен быть меньше 10°. Это необходимо для обеспечения точности измерения при экспериментальном определении момента инерции: У = 2п[ = 2 - 3,14 - 0,1 = 0,628 рад.

Принимаем момент холостого хода Мхх, равный

0,1 МНом:

М„ = 0,1 - 9550

175 750

= 222,8 Нм.

Определяем коэффициент пропорциональности из выражения Мхх=ктхх:

Мх

Мх - 30 222,8 - 30

к =

3,14- пх

3,14 - 750

= 2,938 Нм.

Определяем угол сдвига:

у- 3 0,628-17

Рм = огщ-= агс% = 75 6 .

к 2,838

Угол больше 10°. Момент инерции

3 = Мш=0 = Мт Sin(П + (м ) = °т 'Г °т 'Г

= К 2 + (73)2 ¡¡¡п(1* + РМ ) = °т -7

= ^12,8382 +(0,628-17)2 -¡п(0,628t + 75°6') = = 0,628 = = 16,99 кгм 2.

В рассмотренном примере предполагается возбуждение гармонических колебаний в системе с изменением знака скорости и момента. На практике не всегда возможно реализовать такой режим. Поэтому, в этом случае, необходимо смещение гармонических колеба-

Рис. 3. Изменение скорости в одномассовой системе при синусоидальном приложении момента

ний относительно оси на величину скорости осм. Алгоритм определения момента инерции при такой организации опыта будет следующий: М

3 = --"="см . ,

(°т -°см ) 7

где Мп

- значение момента в точке скорости,

равной ат-асм.

Момент сил сопротивления при холостом ходе может иметь постоянную составляющую Мх = М0 + к. В этом случае определение момента инерции необходимо производить по следующему алгоритму:

3 =

0 / о=ос.

(о - (О )- у

\ т см / /

или, если смещения скорости нет

3 =

0 / (=0

о - у

т /

В ЭМС экскаваторов применяются двигатели постоянного тока. При неизменном потоке момент двигателя пропорционален току якоря, поэтому с учётом зависимости момента от тока (М=сФ1я=Кф1я), алгоритмы (3-6) можно записать: без смещения

к I

3 =-*Л

о - у

т /

со смещением скорости

3 =

к I

ф я (=((

(о -о )- у

\ т см у /

с постоянной составляющей момента холостого хода без смещения скорости

3 =

0/ о=0

' т 7

с постоянной составляющей момента холостого хода со смещением скорости

(кф1 я - М0)о=ом,

3=

(от -осм 7

В ЭМС шахтных подъёмных установок (ШПУ) применяются также двигатели переменного тока с реостатным управлением. В этом случае можно считать механические характеристики линейными, т.е М=ка1с, где ка - коэффициент пропорциональности, 1с - ток статора. Алгоритмы (7) - (10) в этом случае будут пригодны и для ЭМС ШПУ.

Зная момент инерции, легко определить и механическую постоянную Тм. Для ЭМС с двигателем постоянного тока

Тм = 3- кя

где сФ и Яя- постоянные величины.

Для ЭМС с асинхронным двигателем

Юп

Тм = J-

М,.

где а0 и Мк - постоянные величины.

В случае систем с упругими связями, экспериментальное определение момента инерции каждого звена проводится по той же методике. Для этого выделяется рассматриваемый участок кинематической цепи (рис. 4) и по алгоритмам (7) - (10) определяют момент инерции этого участка. Значения МАВ, а0АВ рассматриваемого участка в характерных точках определяют с помощью датчиков момента и скорости.

Точность определения момента инерции можно проверить сравнением измеренных величин с величинами, полученными аналитически по выражениям:

( „г Л

I

= I

= Ф

Фал +(rJAA У

sin

yt + arctg

YjA

^ ал у

sin (rt+фАл);

J

lJ I-2

РАВ = arctg—^ ; М тАА =mi КАВ + (rJ АВ У

АВ

Из последнего получим: com =

М

тАА

^КАв +irJАВ У

Рис. 4. Многомассовая расчётная схема

Таким образом, оперативный метод определения обобщённых динамических параметров позволяет реализовать систему контроля технического состояния машин и решать задачи технического обслуживания на современном уровне. В качестве примера можно привести разработанную систему контроля и регулирования загрузки привода одноковшового экскаватора в эксплуатационных режимах, защищённую патентом [3].

Библиографический список

1. Математические основы теории автоматического регулирования: учеб. пособие для вузов / под ред. Б.К. Чемодано-ва. М.: Высш. шк., 1971. 808 с.

2. Мозгалевский А.В., Калявин В.П., Костанди Г.Г. Диагностирование электронных систем. Л.: Судостроение, 1984. 224 с.

3. Леоненко С.С., Глухих В.И., Леоненко А.С., Прокопьев А.Ю. Способ контроля и регулирования загрузки привода одноковшового экскаватора в эксплуатационных режимах и устройство для его осуществления: пат. № 23764222 Рос. Федерация. МПК Б02Р 9/20, Н02Р 5/00; заявл. 11.07.2008; опубл. 20.12.2009. Бюл. № 35.

УДК 622.882

ВЛИЯНИЕ ЭКСПОЗИЦИИ ОТКОСОВ ОТВАЛОВ НА ПРОЦЕСС ИХ САМОЗАРАСТАНИЯ

Б. Л. Тальгамер1, А. В. Шиверновский2, Е. А. Коробкова3, Ю. Г. Рославцева4

1,4Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2,3Черемховский горнотехнический техникум, 665400, г. Черемхово, ул. Ленина, 26.

Рассмотрены факторы, влияющие на естественное самозарастание нарушенных земель, проанализированы результаты полевых работ, проведенных на Черемховском разрезе и Центральном участке Заларинского гипсового месторождения. Дана оценка влияния экспозиции склонов отвалов на интенсивность восстановления растительного покрова. Ил. 10. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: нарушенные горными работами земли; эрозия; выполаживание поверхности; самозарастание.

EFFECT OF THE EXPOSURE OF DUMP SLOPES ON THE PROCESS OF THEIR SELF-OVERGROWING

1Тальгамер Борис Леонидович, доктор технических наук, профессор, декан горного факультета, тел.: (3952) 405197, e-mail: go_gor@istu.edu

Talgamer Boris Leonidovich, Doctor of technical sciences, professor, Dean of the Mining Faculty, tel.: (3952) 405197, e-mail: go_gor@istu.edu

2Шиверновский Анатолий Васильевич, преподаватель, тел.: (39546) 50590. Shivernovsky Anatoly Vasilievich, lecturer, tel.: (39546) 50590.

3 Коробкова Елена Ананьевна, заместитель директора по учебной работе, тел.: (39546) 50590, e-mail: korobel@yandex.ru; Korobkova Elena Ananievna, Deputy Director for Academic Affairs, tel.: (39546) 50590, e-mail: korobel@yandex.ru;

4Рославцева Юлия Геннадьевна, магистр, техник кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел.: (3952) 405104, e-mail: Roslavtseva@mail.ru

Roslavtseva Yulia Gennadievna, holder of a Master's degree, technician of the chair of Exploitation of Natural Resources Deposits, tel.: (3952) 405104, e-mail: Roslavtseva@mail.ru