автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение эффективности работы тормозных систем шахтных подъемных установок с асинхронным приводом

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1. Общие сведения.

1.2. Анализ результатов исследований по предохранительному торможению шахтных подъёмных машин.

1.3. Особенности режима предохранительного торможения шахтных подъёмных машин.

1.4. Требования к предохранительному тормозу шахтной подъёмной машины.

Выводы по главе.

Глава 2. Исследование режима предохранительного торможения с учётом холостого хода и нелинейного характера нарастания усилия предохранительного тормоза.

2.1. Уточнение количественных показателей предохранительного тормоза шахтных подъёмных машин.

2.2. Электрический способ торможения асинхронного двигателя с фазным ротором.

Выводы по главе

Глава 3. Исследование режима одновременного действия (РОД) электрического и механического тормозов при аварийной остановке шахтной подъёмной машины.

3.1. Уравнение движения электропривода ШПМ в режиме одновременного действия электродинамического и механического тормозов.

3.2. Уравнение РОД, учитывающее безинерционность электродинамического и инерционность механического тормозов.

3.3. Исследование РОД с безынерционным электродинами-ческиим и инерционным предохранительным тормозами.

3.4. Уравнение движения электропривода подъёмной машины в РОД, учитывающее инерционность систем электродинамического и механического тормозов.

3.5. Исследование РОД с инерционными системами электродинамического и предохранительного механического тормозов.

Выводы по главе.

Глава 4. Реализация режима одновременного действия электродинамического и механического тормозов при аварийной остановке шахтной подъёмной машины.

4.1. Схемы динамического торможения, реализующие РОД электродинамического и механического тормозов.

4:2. Формирование сигнала управления тиристором, выполняющего роль ключа.

Выводы по главе.

Глава 5. Экспериментальные исследования и промышленные испытания.

5.1. Задачи промышленных испытаний и экспериментальных исследований

5.2. Промышленные испытания предохранительного тормоза шахтных подъёмных машин.

5.3. Описание экспериментального стенда и методики испытаний.

5.4 Результаты экспериментальных исследований установившегося режима динамического торможения с самовозбуждением.

5.5. Результаты экспериментальных исследований режима электродинамического торможения в переходных режимах

Выводы по главе.

Актуальность работы. Шахтная подъёмная установка (ШПУ) является одним из наиболее ответственных объектов горного предприятия. От её надёжной и безотказной работы зависят производительность предприятия, технико-экономические показатели и безопасность обслуживающего персонала.

Надёжность работы ШПУ во многом зависит от надёжности системы предохранительного торможения. На подъёмных установках, предусматривающих электродинамическое торможение, включение его при отказе предохранительного тормоза в подавляющем большинстве случаев может предотвратить развитие аварии. В этом случае при отказе предохранительного тормоза электрическое торможение будет выполнять функции дублирующего устройства, обеспечивая повышение надёжности процесса торможения. Однако при исправном предохранительном тормозе возникает специфический режим, при котором на подъёмную установку будут одновременно действовать два тормозных устройства - электрическое и механическое.

Для реализации электрического способа торможения на ШПУ, оборудованных в большинстве случаев электроприводом переменного тока на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, может быть использован режим электродинамического торможения. Общим недостатком электродинамического торможения асинхронного двигателя (АД) является потребление электроэнергии из сети. Для механизмов с частыми остановками, особенно для высокоинерционных (шахтных подъёмных машин), расход электроэнергии на торможение оказывается значительным.

Из электрических способов торможения асинхронного двигателя наиболее эффективными и экономичными являются: конденсаторное торможение с самовозбуждением и электродинамическое торможение с изменяющейся структурой. Названным видам посвящено большое количество работ. В странах СНГ такими разработками занимались специалисты Одесского (ОПИ), Уральского (УПИ), Львовского (ЛПИ) политехнических и Московского энергетического (МЭИ) институтов и Московского государственного горного университета (МГГУ). Ряд работ в этом направлении выполнен также научно-исследовательскими учреждениями и производственными предприятиями.

Однако в то же время многие вопросы в этой области остаются нерешёнными. К ним можно отнести: необходимость в повышении технико-экономических показателей динамического торможения; разработку новых схем конденсаторного торможения, обеспечивающих более рациональное использование электрической энергии.

Полученные новые положительные качества конденсаторного торможения асинхронного двигателя позволяют расширить область его применения в качестве электропривода шахтных подъёмных машин и подземных лебёдок, работающих в режиме одновременного действия электродинамического и механического тормозов с целью дублирования механического тормоза и повышения его эффективности, а также производительности подъёмной машины.

Поэтому разработка режима одновременного действия электродинамического и механического тормозов при аварийной остановке ШПМ является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление зависимостей между основными кинематическими параметрами ШПУ и тормозными усилиями при режиме одновременного действия (РОД) механического и электродинамического тормозов для разработки высокоэкономичного и эффективного аварийного торможения шахтных подъёмных установок.

Идея работы заключается в повышении эффективности работы тормозных систем шахтных подъемных установок с асинхронным приводом за счет использования режима одновременного действия предохранительного и электродинамического тормозов для аварийного торможения ШПУ на базе разработки новых способов управления процессом торможения.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Реализация РОД электродинамического и механического тормозов при аварийной остановке ШПУ приводит к снижению времени работы тормозных колодок в соприкосновении с вращающимся ободом барабана в зависимости от режима работы и изменяется от 1,05 с до 0,66 с.

2. Достигается снижение кинетической энергии, подлежащей гашению с помощью механического тормоза с 18% до 32% при снижении электромагнитной постоянной времени Тэ =0,6 с до Тэ =0,2 е., если включение ЭДТ происходит одновременно с отключением подъёмного двигателя.

3. Математическая модель ШПУ с асинхронным электроприводом с фазным ротором, реализующая режим одновременного действия (РОД) электродинамического и механического тормозов, учитывающая влияние различных факторов и параметров подъёмной установки и являющаяся основой для расчёта максимального усилия механического тормоза и времени его действия.

4.3ависимости максимального усилия механического тормоза от момента включения электродинамического тормоза и загрузки подъёмного сосуда ШПУ и электромагнитной постоянной времени обмоток статора электродвигателя в режиме одновременного действия электродинамического и механического тормозов.

5. Аналитические выражения для определения кинематических параметров ШПУ, работающей в режиме одновременного действия электродинамического и механического тормозов при аварийной остановке, с учётом режима свободного выбега и экспоненциальным законом нарастания усилия предохранительного тормоза.

Достоверность и обоснованность научных положений, сформулированных в диссертации, подтверждаются: использованием апробированных математических аналитических и численных методов, а также экспериментальным подтверждением теоретических выводов при достаточном для инженерной практики совпадении результатов анализа (погрешность в пределах 10-15%), компьютерного моделирования и физического эксперимента.

Значение работы.

Научное значение работы состоит:

- в разработке математической модели шахтной подъёмной машины для исследования режима одновременного действия электродинамического и механического тормозов при аварийной её остановке;

- установлении зависимостей усилий предохранительного тормоза от массивности шахтных подъёмных установок;

- установлении зависимости погашаемой доли кинетической энергии электромеханической системы ШПУ и максимального усилия предохранительного тормоза от времени задержки включения электродинамического тормоза при разных значениях электромагнитной постоянной времени обмоток статора асинхронного двигателя;

- установлении зависимостей V, к, а и /Г1|,тои от времени задержки включения электродинамического тормоза с разной электромагнитной постоянной времени асинхронного двигателя при аварийной остановке ШПУ.

Практическое значение работы состоит в разработке: методики расчёта электромеханических и механических характеристик асинхронного двигателя, работающего в режиме динамического торможения с электролитическим конденсатором в цепи выпрямленного тока ротора; схемы управления асинхронным двигателем, работающим одновременно с механическим тормозом шахтной подъёмной машины при аварийной её остановке на уровне изобретения, что дает возможность повысить эффективность работы тормозных систем на ШПУ с асинхронным приводом.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Принципиальная электрическая схема электропривода ШПУ с асинхронным двигателем и электродинамическим торможением без внешнего источника постоянного тока, принята для реализации на шахте «Тырганская» НПО «Прокопьевскуголь»; в учебный процесс в виде экспериментального образца электропривода подъёмной машины на базе серийных элементов.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных симпозиумах: "Неделя горняка - 2002м (Москва, МГГУ, 2002 г.), "Неделя горняка - 2003" (Москва, МГГУ, 2003 г.) и на семинарах кафедры "Горная механика и транспорт" (2001-2003 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ и получен патент на изобретение.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 56 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 62 наименований и приложения.

Основные результаты и положения диссертационной работы рекомендованы для использования при разработке электропривода механизма подъёма строительных кранов, а созданный макет подъёмной установки используется в учебных целях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лебедев C.B. Уравнение движения подъемной машины при одновременном торможении механическим и электродинамическим тормозами. - ГИАБ.- 2003.- №12. Рук. деп. №27/9-317

2. Лебедев C.B. Определение кинематических параметров подъемной установки при предохранительном торможении. - ГИАБ.- 2003.- №12. Рук. деп. №27/9-316

3. Малиновский А.К., Лебедев C.B., Маминов Д.В. Исследование схемы конденсаторного торможения асинхронного двигателя с фазным ротором. - ГИАБ.- 2001.- №5.- С. 223-226.

4. Малиновский А.К., Лебедев C.B. К вопросу о режиме одновременного действия механического и электродинамического тормозов при аварийной остановке шахтной подъёмной машины. - ГИАБ.- 2001.- №5.

С. 231-234.

5. Малиновский А.К., Лебедев C.B., Мартыненко Д.Н. Режим одновременного действия механического и электродинамического тормозов при аварийной остановке шахтной подъёмной машины. - ГИАБ.- 2001.- №11.

С. 28-30.

6. Малиновский А.К. Затикян Г.П., Лебедев C.B. Схемная реализация режима одновременного действия электродинамического и механического тормозов при аварийной остановке шахтной подъёмной машины. - ГИАБ,-2002.-№3.- С. 161-165.

-1547. Малиновский А.К., Лебедев C.B., Мартыненко Д.Н. Установление области применения электродинамического тормоза при аварийной остановке шахтной подъёмной машины. - ГИАБ.- 2003.- №4.- С. 145-146.

8. Патент №2210853 РФ. ЭЛЕКТРОПРИВОД / А.К. Малиновский, Г.П. Затикян, C.B. Лебедев. От 20.08.03.

-151-Заключение

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи -разработки режима одновременного действия электродинамического и механического тормозов при аварийной остановке ШПУ, обеспечивающей повышение эффективности работы тормозных систем шахтных подъемных установок с асинхронным приводом.

На основании теоретических и экспериментальных исследований получены следующие научные и практические результаты:

1. Показана возможность резервирования предохранительного тормоза системой электродинамического торможения асинхронного двигателя с фазным ротором.

2. Проведенный анализ переходных процессов при аварийной остановке ШПМ с учётом времени холостого хода 1Х Х =0,5 с и экспоненциального закона нарастания усилия предохранительного тормоза с механической постоянной времени Т^ =0,65 с позволил установить область применения режима одновременного действия электродинамического и механического тормозов в зависимости от коэффициента массивности \^Св.ном- Для одноконцевой вертикальной ШПУ РОД двух видов тормозов возможен при коэффициенте массивности \1св ном >0,52.

3. Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитать переходный процесс при аварийной остановке ШПУ с учётом времени холостого хода и экспоненциального закона нарастания усилия предохранительного тормоза как с учётом, так и без учёта инерционности электродинамического тормоза.

4. Установлены зависимости максимального усилия предохранительного тормоза в функции времени задержки 1зад включения электродинамического тормоза при аварийной остановке ШПУ как при подъёме, так и при спуске груза. Показано снижение максимального усилия предохранительного тормоза на 15,1% при электромагнитной постоянной времени Тэ = 0,2 с и более при снижении этой постоянной.

5. Установлены зависимости кинетической энергии электромеханической системы ШПУ в РОД двух тормозов от момента включения ЭДТ при разных электромагнитных постоянных времени обмоток статора. Показано снижение кинетической энергии, подлежащей гашению с помощью механического тормоза с 18 до 32% при снижении электромагнитной постоянной времени Тэ = 0,6 с до Тэ = 0,2 с, если включение ЭДТ происходит одновременно с отключением подъёмного двигателя.

6. Установлено, что реализация РОД электродинамического и механического тормозов при аварийной остановке ШПУ приводит к снижению времени работы тормозных колодок в соприкосновении с вращающимся ободом барабана в зависимости от режима работы и изменяется от 1,05 с до 0,66 с.

7. Разработка новых конструкций предохранительных тормозов, обеспечивающих снижение времени холостого хода даже до ¿хх =0,1 с, не достигает тех показателей, которые обеспечивает режим одновременного действия двух тормозов. Одновременно со снижением 1ХХувеличивается продолжительность работы тормозных колодок в соприкосновении с вращающимся ободом барабана и увеличивается износ колодок.

8. Разработана новая схема электродинамического торможения асинхронного двигателя с фазным ротором (на уровне патента), позволяющая создать тормозной режим без внешнего источника постоянного тока.

9. Принципиальная электрическая схема электропривода шахтной подъёмной установки с асинхронным двигателем и электродинамическим торможением без внешнего источника постоянного тока, принята для реализации на шахте «Тырганская» НПО «Прокопьевскуголь».

1. Алистратова Н.Е., Католиков В.Е. и др. Системы автоматического регулирования предохранительного торможения шахтных подъёмных машин. -М.: Информэлектро, 1989. С.44-46.

2. A.c. №338979 СССР, МКИ Н 02 р 3/24. Устройство для электродинамического торможения асинхронного двигателя с фазным ротором. / Корж Н.И., Мамедов В.М., 1972. Опубл. в Бюл. №16.

3. A.c. № 135128 СССР, МКИ Н 02 р 3/24. Устройство для динамического торможения асинхронного двигателя с фазным ротором. /Косткж B.C. Опубл. 1961. Бюл. №2.

4. A.c. №1467724 СССР, МКИ Н 02 р 3/24. Устройство для управления электроприводом обжиговой печи. /Малиновский А.К. Опубл. 1989. Бюл. №11.

5. A.c. №1746505 СССР, МКИ Н 02 р 3/24. Электропривод /Малиновский А.К. Опубл. 1992. Бюл. №3.

6. Белый В.Д., Найденко И.С. Шахтные многоканатные подъёмные установки. М.: Недра, 1979.- 256 с.

7. Василевский Н.М. Асинхронный привод шахтных подъемных машин. -М.: Госгортехиздат, 1960. 539 с.

8. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6,0. С.Пб.: Корона, 2001.

9. Демьяненко Г.С., Бевз Е.Е. Неразрушающий контроль элементов тормозных и подвесных устройств. Сб. науч. трудов МакНИИ. - Безопасная эксплуатация электромеханического электрооборудования на шахтах. -Макеевка-Донбасс, 1987, с.69-74.

10. Каледин Н.В., Леонов О.В. Выбор системы автоматического управления предохранительным тормозом шахтной подъёмной машины, инвариантной к величине и направлению движения груза. В кн. Горная электромеханика. Пермь, №96, 1971, с. 23-29.

11. Капунцов Ю.Д., Антонов В.А., Муринец C.B. Электропривод подъёмной лебёдки с асинхронным двигателем и динамическим торможением с самовозбуждением. Проблемы автоматизированного электропривода. — М.: 1974, с.140-145.

12. Картавый Н.Г. Стационарные машины. И.: Недра, 1981. - 448 с.

13. Католиков В.Е., Динкель А.Д. Шахтные многоканатные подъёмные установки. М.: Недра, 1995. - 448 с.

14. Костюк B.C. Методика расчета схемы динамического торможения асинхронного двигателя с самовозбуждением. Науч. тр., сб. №48 М.: МИРГЭМ, 1964, с. 14-29.

15. Малиновский А.К., Шелков П.И. Конденсаторное торможение асинхронных двигателей горных машин.//Горный информационно-аналитический бюл. №.3, М.: МГГУ, 1998, с. 168-170.

16. Малиновский А.К., Шелков П.И. Электропривод горных машин с высокоэкономичным тормозным режимом. М.: МГГУ, Горный информационно-аналитический бюл. №1, 1998, с.77-79.

17. Малиновский А.К., Лебедев C.B., Мартыненко Д.Н. Режим одновре-меннного действия механического и электродинамического тормозов при аварийной остановке шахтной подъёмной машины. Горные машины и автоматика, №11, 2001, с.

18. Малиновский А.К. Электропривод переменного тока с противо-ЭДС в цепи ротора. М.: РИИС, 1999. - 175 с.

19. Малиновский А.К., Щуцкий В.И. Режим одновременного действия тормозных систем шахтной подъёмной машины как средство повышения надёжности аварийного торможения. Горный журнал, №6,2001, с. 129-133

20. Малиновский А.К., Лебедев C.B., Маминов Д.В. Исследование схемы конденсаторного торможения асинхронного двигателя с фазным ротором. -М.:МГГУ, ГИАБ, 2001, №5, с. 231-234.

21. Малиновский А.К., Лебедев C.B. К вопросу о режиме одновременногодействия механического и электродинамического тормозов при аварийной остановке шахтной подъёмной машины. М.:МГГУ, ГИАБ, 2001, №5, с.223-226.

22. Малиновский А.К., Затикян Г.П., Лебедев C.B. Схемная реализация режима одновременного действия электродинамического и механического тормозов при аварийной остановке шахтной подъёмной машины. М.: МГГУ, ГИАБ, 2002, №3, с. 161-164.

23. Малиновский А.К., Лебедев C.B., Мартыненко Д.Н. Установление области применения электродинамического тормоза при аварийной остановке шахтной подъёмной машины. М.: МГГУ, ГИАБ, 2003, №4, с. 145-146.

24. Попович Н.Г. Динамические режимы автоматизированных подъёмных установок с асинхронным электроприводом. — Киев.: Вища школа, 1982. -212 с.

25. Попович Н.Г., Алтухов Е.И., Ящук И.М. Исследование автоматизиро-рованной подъёмной установки при одновременном действии механического предохранительного и динамического торможения. Вестик КПИ, Сер. Электромеханика и автоматика, 1971, №2, с. 9-11.

26. Попович Н.Г., Клименко H.A., Ящук И.М. Режим одновременного действия механического и электродинамического торможения подъёмных-159установок. Уголь Украины, 1976, №9, с.36-37.

27. Попович Н.Г., Луцишин Я.К. Оптимизация САУ шахтной скиповой подъёмной установки с одновременным механическим и электродинамическим торможением. — Горная электромеханика и автоматика, 1976, №28, с.69-70.

28. Попович Н.Г., Солоха А.П., Ящук И.М. К вопросу автоматизированного динамического торможения шахтных клетевых подъёмных машин. Сб. "Автоматизация угольной и горнорудной промышленности". Выпуск 3. М.: Недра, 1971, с. 24-28.

29. Пат. №2075819 РФ, МКИН02р 3/24. Электропривод. /Малиновский А.К., Турянский Р.В. Опубл. 1997. Бюл. № 8.

30. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. -М.: Недра, 1973.-512 с.

31. Программное предохранительное торможение шахтных подъёмных установок /Г.В. Верстаков, А.Г. Степанов и др. В кн. Электромеханические системы и оборудование. Пермь, №151, 1974.

32. Регулируемое предохранительное торможение для шахтных подъёмных машин. /Е.С. Траубе, Н.В. Каледин, С.И. Кравцов и др. Горные машины и автоматика, 1975, №11, с15-18.

33. Саляк И.И., Фильц Р.В. Расчет характеристик асинхронного двигателя при динамическом торможении с самовозбуждением. Изв. вузов, Электромеханика, 1966, №9, с.982-988.

34. СалякИ.И., Фильц Р.В. Универсальный метод расчета характеристикдинамического торможения асинхронных двигателей. Изв. вузов. Электромеханика, 1964, №3, с.348-355.

35. Сидоренко А.Ф., Солоха А.П., Роженцов Б.С. Аппаратура управления тормозными приводами шахтных подъёмных машин. М.: Недра, 1974.

36. Смородов А.И., Фёдоров Е.М. Совершенствование управления процессом предохранительного торможения. Сб. науч. трудов МакНИИ. - Безопасная эксплуатация электромеханического оборудования на шахтах. - Макеевка-Донбасс, 1987, с. 13-17.

37. Справочник. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. /Под ред. Г.С.Нойвельта. М.: Радио и Связь, 1985. - 576 с.

38. Руководство по ревизии, наладке и испытанию шахтных подъёмных установок /В.Р. Бежок, Б.Н. Чайка, Н.Ф. Кузьмин и др. М.: Недра, 1982.

39. Танатар А.И. Режим динамического торможения с самовозбуждением крановых двигателей. — Электротехническая промышленность. Сер. Электропривод, 1973, вып. 6(23), с. 10-12.

40. Танатар А.И., Акимов Ю.И. Система динамического торможения асинхронного двигателя, обеспечивающая повышение среднего тормозного момента. Изв. вузов. Электромеханика, 1971, №11, с. 15-18.

41. Танатар А.И., Акимов Ю.И. Исследование работы асинхронного двигателя в режиме динамического торможения со смешанным возбуждением. -М.: Электротехническая промышленность, вып.6, 1971, с. 15-17.

42. Танатар А.И., Дурнев В.И. Системы электродинамического торможения подъемных кранов. Киев.: Техника, 1982. - 283 с.

43. Танатар А.И., Дурнев В.И., Ужеловский В.А. Система динамического торможения асинхронных двигателей с изменяющейся структурой. Электротехника, 1990, №4, с.26-29.

44. Траубе Е.С., Найденко И.С. Тормозные устройства и безопасность шахтных подъёмных машин. М.: Недра, 1980. - 256 с.

45. Траубе Е.С. Предохранительному торможению подъёмных машин -постоянное замедление. Безопасность труда в промышленности, 1968, №7.

46. Траубе Е.С., Левченко Ю.Т. О нормах на ограничение скорости подхода и настройке ограничителей скорости подъёмных установок. Безопасность труда в промышленности, 1967, №2, с. 18-20.

47. Траубе Е.С. О современном подходе к вопросам безопасности при исследовании шахтных подъёмных машин. Уголь Украины, 1975, №12.

48. Траубе Е.С., Каледин Н.В. О современном подходе к определению параметров предохранительного торможения шахтных подъёмных машин. -Уголь Украины, 1973, №3, с. 25-28.

49. ФильцР.В. Упрощенный метод расчёта характеристик динамического торможения асинхронных двигателей. Изв. вузов. Электромеханика, 1968, №4.

50. Чаповский А.В. Автоматическое регулирование в системе с управляемым механическим тормозом по условиям инвариантности. Известия вузов, Горный журнал, 1965, №11, с. 48-52.

51. Чумичёв В.Н. Расчёт механических характеристик крановых электродвигателей и определение максимального диапазона регулирования частоты вращения ротора в режиме динамического торможения со смешанным возбуждением. Электротехника. 1993, №8, с. 59-63.