CC BY
41
УДК 622.285.5
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ГИДРОФИЦИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ
А. А. Подколзин
Проведено моделирование и разработаны предложения по снижение энергопотребления и повышение надёжности электромеханической системы насосных агрегатов.
Ключевые слова: система, насос, агрегат, модель, динамика, совершенствование, моделирование.
В современных условиях требуемый уровень добычи угля обеспечивается высокопроизводительными механизированными комплексами. Важнейшим элементом крепи является ее гидроэнергетическая установка, подающая в гидросистему рабочую жидкость под высоким давлением. Применяемые передвижные насосные станции имеют производительность 300 л/мин, номинальное давление 40 МПа, потребляемую мощность 236 кВт. При нормальной работе комплекса в течение суток насосная станция обычно включена 18 - 22 ч, причем только 25-40 % этого времени рабочая жидкость подается в магистраль для выполнения рабочих операций [2]. Управление работой агрегатов в автоматическом режиме осуществляется по давлению в напорной магистрали потребителя путем перекрытия линии подпитки силового объёмного насоса, что приводит к формированию динамических процессов в электромеханической системе (ЭМС) насосных агрегатов, росту энергопотребления и снижению надежности гидроагрегата. Вероятность безотказной работы электромеханической системы насосной станции довольно низкая и составляет от 0,4 до 0,8, что напрямую связано с потерями добычи полезного ископаемого.
Специфичность динамического анализа гидросистемы крепей, связанная с большой протяженностью гидромагистралей, значительными инерционными и волновыми нагрузками, апериодичностью выполнения технологических операций как в одной, так и в нескольких точках лавы, вызывает особый подход к составлению уравнений движения исполнительных гидроцилиндров.
Решение поставленных задач потребовало разработки обобщенной математической модели работы гидропривода крепи, выявление и исследование параметров внешнего нагружения ЭМС насосных агрегатов при различных технологических операциях и режимных параметрах системы с большим числом состояний. В работе был использован модульный принцип построения математической модели. Математическая модель гидропривода, представляет собой систему алгебраических и дифференциаль-
ных уравнений, описывающих гидропривод как совокупность разнородных (гидравлических, механических, электрических) элементов, позволяющую осуществлять анализ процессов, происходящих в гидроприводе при их работе, исследовать его динамические свойства в функциональном режиме.
При разработке математической модели было принято: распределенные параметры заменены конечным множеством сосредоточенных параметров, математическая модель состоит из уравнений баланса расходов и уравнений движения отдельных элементов системы, уравнения расходов составляются при допущении, что жидкость в гидросистеме однородна и неразрывна. Для узлов, в которых происходит разделение или слияние потоков жидкости, составляются уравнения баланса. Волновые процессы в трубопроводах описываются уравнениями в частных производных. Для их решения использован метод дискретизации пространства, который заключается в замене конечно-разностными выражениями пространственных производных в уравнениях и краевых условиях.
Обобщенная математическая модель гидросистемы крепи была представлена в виде матрицы, в которой каждый элемент гидросистемы из общего их количества был отнесен к определенному типу с соответствующими ему узлами подсоединения.
Гидросистема крепи была разбита на участки: насосная установка, включающая несколько насосных станций и агрегатов; участок напорной гидромагистрали от насосной станции до управляемой секции крепи; участок напорной гидромагистрали от секции крепи до конца лавы; напорная и сливная части гидросистемы секции крепи (от магистралей через гидроаппаратуру до соответствующих полостей гидроцилиндра); участок сливной гидромагистрали от секции крепи до бака станции и участок сливной гидромагистрали от секции крепи до конца лавы, гидросистемы крепей сопряжения.
Для каждого участка было составлено математическое описание с достаточной для требуемой задачи степенью детализации процессов. Например, математическое описание участка насосной станции, состоящего из насоса, регулирующей аппаратуры, пневмогидроаккумулятора и элементарного участка напорной магистрали, имеет вид [2]:
Ян1 (Рн1) = Р1 Xн1 + [сн1 (Рн1) + Сак (Рн1)] Рн1 ;
F 1(рн1 - рн2) = 0,5(тн1 Хн1 + Р3Xнн1), где Ян1(рн1) - характеристика насосной установки; р -рабочая площадь поперечного сечения активной полости гидроцилиндра, м2; Xн1, Хн1, -скорости (м/с) и ускорения (м/с ) масс жидкости напорной магистрали,; Сн1 (рн1) - коэффициент объемной сжимаемости жидкости и деформации рукавов; Сак (рн1) - коэффициент объемной сжимаемости аккумулятора;
рн1, р н1 - давление (Па) и скорость изменения давления (Па/с) в рукавах,
соединяющих напорную магистраль с гидрораспределителем; рн2 - давление в рукавах, соединяющих гидрораспределитель с полостями гидроцилиндра передвижения, Па; тн1 - приведенная масса жидкости напорной
магистрали, кг; £н1, - коэффициент гидравлического сопротивления рукавов напорной магистрали.
Одной из функцией гидросистемы крепи является обеспечение требуемой скорости крепления лавы. Общее время цикла складывается из суммы времен выполнения отдельных технологических операций:
к
I ц = ^ / к = I о + ^ дв + I рк +1 рс + ^ пер + ^ р.рук + ^ в,
к=1
где к - количество операций технологического цикла, ¿о - время осадки секции, с; tдв - время движения секции, с; ¿рк - время кинематического распора секции, с; ¿рс - время силового распора секции, с; ¿пер - время перехода оператора на соседнюю секцию, с; ¿р.рук - время работы с рукоятками аппаратуры управления, с; ¿в - время выполнение вспомогательных операций, с.
Длительность операции в крепи выражается зависимостью [2]:
К J
¿г т = ¿г у + ^пер + ^гк(5к + ¿к )+ Х((ог сг т ),
К=1 7=1
где г т - индекс операции и секции; ¿гу - время на подготовку к управлению, с; К - число управляющих гидроэлементов; г - число переключений
управляющих элементов; 5к - быстродействие гидроэлемента или магистрали; ¿к - время переключения гидрораспределителя, с; J - число исполнительных гидродвигателей; ¿ог- - расчетное время работы гидродвигателей
при выполнении операции, с; с г т - коэффициент, учитывающий изменение расчетной скорости движения рабочего звена гидродвигателя в различных секциях при различных операциях.
Мощность N и крутящий момент Мкр на валу насоса определяется по формулам:
N = е„ рн , м „=^.
г1мех '1г
60ПобПмехПг 2п П мех г
3
где и рн - действительная подача (м /с) и давление (Па) жидкости, создаваемое насосом; поб, Пмех, Пг - соответственно объемный, механический и гидравлический КПД насоса, q - рабочий объем насоса (м3).
Для многопоршневого насоса действительная подача определяется
по формуле
Q н =z ^лh n п°б,
где z - число поршней насоса, dn - диаметр поршня, м, h - ход поршня, м, n - частота вращения вала, с-1.
При многопоршневом насосе, поршни которого равномерно расположены вокруг эксцентрика, или при линейном расположении поршней, когда эксцентрики повернуты один относительно другого на угол у = 2-n/z, текущая подача в напорную магистраль будет равной
П d2 k=zi-1 Q = X sin(а + kY), 4 k=0
где z1 - число поршней, одновременно находящихся в зоне нагнетания.
Колебания подачи, связанные с конструктивными особенностями насоса (внутренние возмущающие воздействия), характеризуются коэффи -циентом неравномерности, зависящим от z [2].
Адекватность при решении обобщенной математической модели реальным процессам достигается анализом на каждом участке характера движения штока гидрдвигателя и выбором переменной структуры решаемых нелинейных дифференциальных уравнений.
Моделирование операций технологического цикла гидрофициро-ванной крепи с одной или несколькими насосными станциями СНТ (ОАО "Людиновский агрегатный завод", г. Людиново, Калужской обл.) позволило установить влияние внешних возмущающих воздействий при выполнении операций технологического цикла, представленных на рис. 1. Как видно из графиков коэффициент мощности ЭМС изменяется в значительных пределах. В отдельных случаях коэффициент мощности превышал установленную мощность электродвигателей насосного агрегата.
Нагрузка ЭМС насосной станции носит сложный динамический характер. Колебания и автоколебания в ЭМС вызывают повышенные нагрузки в трансмиссии, а также колебания момента и тока электродвигателя, обуславливающие дополнительные потери мощности и повышенный нагрев обмоток, что негативно отражается на надежности электродвигателя. Одним из путей гашения колебаний в системе является использование демпфирующих свойств привода.
Для исследования демпфирующих свойств разомкнутой ЭМС насосной станции была составлена структурная схема, приведенная на рис. 2. Механическая часть ЭМС представлена в виде двухмассовой упругой системы, для оценки степени затухания колебаний использован логарифмический декремент [2].
1,4
2 Ь О О
ас 3
о ^
н
X
<и
Я"
-е-
о о
д
Г '.
м
н
\
К \ \ /3
V ---V"
ч \ —^
у " - - V
: г V- — ,
\ 2
> / > : - > 7 8 ,с
Время
Рис. 7. Изменение коэффициента мощности ЭМС насосного агрегата от операции технологического цикла 1 - кинематический распор, 2 - передвижение секции, 3 - осадка
Рис. 2. Структурная схема ЭМС насосной станции
Уравнение динамической характеристики электропривода М=/{соь?) с достаточным приближением можно представить так:
М = Мкз-рсо1-Гэ^, (1)
где Мкз - установившийся момент короткого замыкания, Н м; (3 - жесткость
статической механической характеристики, Нмс; Тэ - электромагнитная постоянная времени.
Известно, что уравнение (1) с известным приближением представ-
ляет и динамическую механическую характеристику АД в области малых скольжений (,? <sk), причем коэффициенты уравнения выражаются через параметры АД: sk (критическое скольжение); Мк (критический момент двигателя) и ®0эл (синхронная частота вращения).
Уравнение (1) справедливо для всех двигателей с линейной и линеаризованной механической характеристикой при пренебрежении электромагнитной инерцией двигателей.
Для определения оптимальных величин: декремента затухания X, жесткости в и скольжения а исследованы переходные процессы в ЭМС с помощью пакета стандартных программ ТАУ. В результате анализа поведения корней характеристического уравнения, полученных амплитудных и фазовых характеристик установлены оптимальные значения жесткости
вопт, при которой обеспечивается оптимальное гашение колебаний момента в ЭМС.
Так как жесткость характеристик существующих электродвигателей насосных станций в значительно отличается от значений, соответствующих вмакс, проведено исследование ЭМС насосных станций на устойчивость. Для данных параметров ЭМС Хтах =1,5 , вопт=
21 Нмс и аопт-0,1 при которых снижение колебаний момента составляет 20 % [3].
На основании результатов исследований была усовершенствована электромеханическая система насосной станции. Стендовыми испытаниями было установлено соответствие расчетных значений оптимальных параметров электромеханической системы проектным в различных режимах работы гидросистем механизированных комплексов и агрегатов. Снижение амплитуды колебаний момента и средней потребляемой мощности составило 21,4-24,2 %. Расхождение между результатами теоретических и стендовых исследований составило 12,5-15 % [4].
Результаты шахтных исследований свидетельствуют о том, что ЭМС насосной станции обеспечивает повышение надежности ее работы, скорости крепления кровли, снижение динамических нагрузок на вал электродвигателя и уменьшение температуры обмоток.
Список литературы
1. Пономаренко Ю.Ф. Насосы и насосные станции механизированных крепей. М., Недра. 1983. 183 с.
2. Расчет и конструирование гидроприводов механизированных крепей / Ю.Ф. Пономаренко [и др.]; под общ. ред. Ю.Ф. Пономаренко. М.: Машиностроение, 1981. 327 с.
3 Обоснование параметров энергосберегающих систем гидропривода горных машин/ А. А. Подколзин, В. А. Полукеева, В.Ю. Карницкий, С.И.
Швыряев // Проблемы разработки месторождений минерального сырья Российской Федерации: материалы 2-й Всероссийской конференции. 1-2 февраля 1999 г. / под общ. ред. В.И. Сарычева. Тула. ТулГУ. 1999. 128 с.
4. Полукеева В.А., Подколзин А.А., Швыряев С.И. Определение оптимальных параметров электромеханических систем насосных станций выемочных комплексов и агрегатов // Международная научно-техническая конференция "Энергосбережение-98": тезисы докладов. Тула: ТулГУ, 1998. С. 56-57.
Подколзин Анатолий Алексеевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Новомосковск, Новомосковский институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева»
IMPROVEMENT OF ELECTROMECHANICAL SYSTEMS OF PUMPING UNITS, THE HYDRAULIC ROOF SUPPORTS
A.A. Podkolzin
The simulation and proposals for reducing energy consumption and improving the reliability of Electromechanical systems pumping Agra-Gatov.
Key words: system, pump, Assembly, model, dynamics, improving, modeling.
Podkolzin Anatoly Alekseevich, doctor of engineering sciences, professor, head the Department, [email protected], Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute (branch) Federal state budget educational institution higher education "Russian chemical-technological University named after D. I. Mendeleev"
Reference
1. Ponomarenko Ju.F. Nasosy i nasosnye stancii mehaniziro-vannyh krepej. M., Nedra. 1983. 183 s.
2. Raschet i konstruirovanie gidroprivodov mehanizirovannyh krepej / Ju.F. Ponomarenko [i dr.]// Pod obshh. red. Ju.F. Ponomarenko. M.: Mashinostroenie, 1981. 327 s.
3 Obosnovanie parametrov jenergosberegajushhih sistem gidro-privoda gornyh mash-in/ A.A. Podkolzin, V.A. Polukeeva, V.Ju. Kar-nickij, S.I. Shvyrjaev // Problemy razrabotki mestorozhdenij mine-ral'nogo syr'ja Rossijskoj Federacii. Materialy 2-j Vserossijskoj konfer-encii. 1-2 fevralja 1999 g. Pod obshh. red. V.I. Sarycheva. Tula. TulGU. 1999. 128 s.
4. Polukeeva V.A., Podkolzin A.A., Shvyrjaev S.I. Opredelenie optimal'nyh parametrov jelektromehanicheskih sistem nasosnyh stan-cij vyemochnyh kompleksov i agregatov. Mezhdunarodnaja nauchno-tehnicheskaja konferencija "Jenergosberezhenie-98". Tezisy dok-ladov. Tula. TulGU. 1998 S. 56-57.
