автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка структуры управления энергосберегающим электроприводом буровых станков типа СБШ

На правах рукописи УДК 622.4: 621.3 (047.7)

Хапаев Ахмат Борисович

Л. Х&лЯи^

Разработка структуры управления энергосберегающим электроприводом буровых станков типа СБШ

Специальность 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2004

Работа выполнена в Московском государственном горном университете (МТУ).

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Фащиленко Валерий Николаевич. Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Миновский Юрий Петрович, кандидат технических наук, профессор Шевырев Юрий Вадимович.

Ведущее предприятие - ООО Карачаевское горное предприятие «Алибек».

Защита диссертации состоится "14" мая 2004 года в 12:00 часов в аудитории 713 а

на заседании диссертационного совета Д-212.128.09 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, В-49, Ленинский проспект д.6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке MГГУ

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор Шешко Евгения Евгеньевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время на карьерах и разрезах подготовка горных пород к выемке с применением взрывного воздействия обеспечивается бурением взрывных скважин, при этом до 70-80% объемов бурения выполняется шарошечными станками. Потери мощности в трансмиссиях главных механизмов современных буровых станков подчас достигают 20-40% как для электроприводов постоянного тока, так и для объемных гидроприводов, выполненных по традиционной схеме. Рост цен на энергоносители вызывает необходимость применения буровой техники с энергосберегающими силовыми установками, использующими электрический двигатель.

Буровая штанга представляет собой систему с распределенными параметрами, которая является источником продольных и поперечных колебаний. Упругие усилия, возникающие при этом, для большинства машин и механизмов являются нежелательными, т.к. приводят к дополнительным динамическим нагрузкам. Для механизмов вращателей буровых станков эти упругие колебания желательно использовать как дополнительный источник механических воздействий, направленный на разрушение горных пород при бурении. Решение такой задачи позволяет сформировать энергосберегающую технологию, при которой потенциальная энергия в буровой штанге не рассеивается в элементах электромеханической системы, а направляется на разрушение горной массы при бурении. Поэтому разработка энергосберегающего электропривода буровых станков является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка структуры управления энергосберегающим электроприводом буровых станков типа СБШ, улучшающая энергетические показатели.

Идея работы состоит в оптимизации электропотребления электропривода вращателя бурового станка по критерию минимума потребляемой мощности за счет управляемого резонансного режима электромеханической системы.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Модель структуры системы управления электроприводом вращателя бурового станка, отличающаяся тем, что используется принцип управляемого резонанса для минимального потребления электроэнергии.

2. Аналитические зависимости показателей резонансного режима от параметров электромеханической системы с разомкнутой и замкнутой структурой системы управления электропривода.

3. Аналитические зависимости энергетических характеристик электропривода показателей резонансного режима.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются;

корректным применением теории автоматического управления, теории электропривода, теории колебаний, методов математического моделирования,

сравнением результатов аналитических

риментов, достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми не превышает 15%.

Научное значение работы состоит в разработке математической модели электропривода вращателя бурового станка, что развивает теорию электромеханических систем; установлении зависимости показателей резонансного режима от параметров электромеханической системы при различных системах управления электропривода, что развивает теорию электропривода и теорию колебаний; установлении закономерности воздействия на энергетическую часть электропривода, что развивает теорию управления электропотреблением.

Практическая ценность работы состоит в разработке рациональной структуры системы управления электроприводом механизма вращателя бурового станка, оптимальной по критерию минимума потребляемой мощности, позволяющей повысить эффективность эксплуатации электрооборудования; методики определения параметров рациональной структуры управления электроприводом механизма вращателя бурового станка, позволяющей сократить время проектирования и повысить эффективность наладочных работ.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная структура управления энергосберегающим электроприводом бурового станка принята к реализации ООО Карачаевским горным предприятием «Алибек» при модернизации находящихся в эксплуатации буровых станков типа СБШ-250.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на следующих научных семинарах: МГГУ «Неделя горняка-2000», МГГУ ((Неделя горняка-2001».

Публикация. По теме диссертации опубликовано 5 статей.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения; содержит 57 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 63 источников и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

При добыче полезных ископаемых открытым способом применяются буровые станки. Для наиболее полного решения задачи определения оптимальных режимов бурения необходимо, с одной стороны, учитывать конструктивные параметры механизмов буровых станков с тем, чтобы оптимальные разрушения могли быть практически реализованы, с другой стороны, фиксировать экономические показатели бурения. Таким образом, для установления оптимальных режимов бурения требуется применение современных форм электропривода основных механизмов станка и совершенных систем управления ими с применением энергосберегающей технологии. В настоящее время энергосбережение является одним из основных направлений технической политики во всех развитых странах.

В первой главе приводится анализ энергосберегающих технологий машин и установок и существующих систем электроприводов, исполнительного

органа двигателей буровых станков, рассмотрены системы управления ими, проведен краткий анализ их преимуществ и недостатков.

Анализ энергосберегающих технологий в электроприводах машин и установок показал, что переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому электроприводу дает значительный экономический и технологический эффект. С развитием преобразовательной и силовой техники появилась возможность качественного перехода к многофункциональному регулируемому электроприводу, в том числе и по энергосберегающей технологии.

Литературные источники указывают на значительную экономию электроэнергии на уровне 30-50% средствами регулируемого электропривода.

Актуальность исследований, связанных с разработкой электропривода бурового станка, подчеркивается в работах В. С. Тулина, Л. Ш. Гавашели, Б. И. Моцохейна, Н. И. Васильева, Б. Н. Кутузова, Ю. А. Нанкина и др.

Проведенные исследования показывают, что при работе буровой станок подвергается действию статических и динамических нагрузок. Основным источником нагрузок и вибраций станка является процесс взаимодействия долота с породой, которые характеризуются возмущениями в различном диапазоне. Наиболее неблагоприятное воздействие на оборудование станка оказывают низкочастотные колебания, доля которых в общей дисперсии возмущающей нагрузки максимальна. Спектр вынужденных колебаний определяется наличием гармоник возмущающей случайной нагрузки, близких к его собственным частотам, что приводит на практике к резонансным явлениям. Одним из путей снижения нагрузок рабочих органов буровых станков является улучшение их динамических качеств за счет выбора рациональных параметров электромеханической системы, позволяющих эти вибрации использовать па разрушение горного массива. Возвратно-вращательное воздействие в резонансном режиме повышает эффективность разрушения горных пород. Это позволяет снизить удельные энергозатраты, повысить производительность станка за счет выбора оптимального режима резания, обеспечить экономию режущего инструмента.

Эти обстоятельства, в свою очередь, позволили сформулировать цель настоящей работы. Она состоит в разработке структуры управления энергосберегающим электроприводом буровых станков типа СБШ. Для достижения цели необходимо электромеханическую систему электропривода вращателя ввести в резонансный режим, исследовать структуру управления, проанализировать энергетические свойства, построить математическую модель.

В соответствии с этим поставлены следующие основные задачи:

1. Обоснование способа и разработка средств энергосбережения в электроприводе вращателя бурового станка.

2. Определение рациональных областей использования различных воздействий для получения заданных энергетических свойств электропривода.

3. Анализ энергетических свойств электропривода вращателя бурового станка в системе с разомкнутым и замкнутым управлением.

4. Разработка структуры системы управления электроприводом вращателя бурового станка, оптимальной по критерию минимума потребляемой электроэнергии.

5. Обоснование рекомендаций и технических решений по способу и средствам энергосбережения в электроприводах вращателя бурового станка.

Во второй и третьей главах призеден выбор воздействия па электромеханическую систему вращателя бурового станка и исследованы разомкнутая и замкнутая системы управления в резонансном режиме с целью определения энергетических свойств с этими структурами управления

Основной задачей управляемого резонансного режима является обеспечите таких нагрузок в кинематических цепях механизма вращателя, чтобы они не превышали предельно возможных. Для получения резонансов необходимо, чтобы частота собственных колебаний системы была равна частоте возмущающего воздействия.

В электромеханической системе вращателя бурового станка возможны два канала возмущающего воздействия: канал управления, в котором создается сигнал управления с гармоническими колебаниями иу — /{сЛ)\ канал статического возмущения в зоне резания, обусловленного состоянием горного массива и особенностями режущего инструмента = /(¿аЛ) (рис.1), где Ю частота возмущающего воздействия, 5- номер гармоники.

1 , Мс =ЛхаЛ)

эмс

-» /

Рис. 1. Каналы возмущающего воздействия на электромеханическую систему.

Анализ процессов для разомкнутой и замкнутой системы управления в резонансном режиме выполнен с использованием структурной электромеханической схемы, представленной на рис.2.

Характеристическое уравнение тока якоря с разомкнутой системой управления по управляющему возмущающему воздействию (рис.2) имеет вид:

Д(р) = (рТ.+\)(р1т,тм + рТм+\). 0)

А коэффициент динамичности по току якоря в этом случае

К - ^ПШ +1

** = т/(1 + Г>2)[(П2-©2)2 +4Л»2] + '

где п =--коэффициент затухания, резонанс наступает при Л = со.

2 Г.

■собственные колебания системы.

Коэффициент динамичности по току якоря при резонансе

+1

+1,

где - относительный коэффициент затухания (коэффи-

циент демпфирования).

Рис 2. Структурная схема электропривода механизма вращателя бурового станка с различными обратными связями: - сигнал задания по скорости; Ку - коэффициент усиления суммирующего усилителя; и - напряжение управления СИФУ; К„- коэффициент пере-

дачи преобразователя; - электромагнитная постоянная времени преобразователя; - передаточный коэффициент звена якорной цепи; Т,- электромагнитная постоянная времени якорной цепи; - передаточный коэффициент звена скорости двигателя; - электромеханическая постоянная времени привода; - коэффициент передачи внутренней обратной связи по ЭДС двигателя.

Характеристическое уравнение тока якоря с разомкнутой системой управления по статическому возмущающему воздействию (рис.2) имеет вид:

Д(Р)=(Р2Т.ТМ+РТМ+Х). (3)

Коэффициент динамичности по току якоря

а2

№

*~о2)2+4П*О2

Коэффициент динамичности по току якоря при резонансе

к' -1

(4)

На рис. 3 представлена зависимость коэффициента динамичности тока якоря от угловой частоты возмущающего воздействия

**

2 1,5

1

0.5

0-1---------

0 0,2 0,4 0,6 0.8 1 1,2 1,4 1,6 «,/г^

Рис. 3. Зависимости коэффициента динамичности токаякоря от относительной частоты приуправляющем (1) и при статическом (2) возмущающихвоздействиях.

Максимум амплитуды колебаний тока якоря двигателя при статическом воздействии наблюдается при О) = 0,73567^, а на резонансной частоте

к'фсг = 1,076, что значительно меньше коэффициента динамичности при управляющем воздействии.

Проведенные исследования показали, что в электромеханической системе с разомкнутым управлением коэффициент динамичности, а следовательно амплитуда вынужденных колебаний угловой скорости двигателя и тока якорной цепи, в значительной степени зависит от коэффициента затухания собственных колебаний системы, которая определяется электромагнитной инерционностью якорной цепи, и от электромагнитной инерционности преобразовательного устройства. Наибольшая амплитуда колебаний координат электромеханической системы имеет место в случае управляющего возмущающего воздействия по сравнению со статическим возмущением, поэтому в данном случае требуется ограничение динамических усилий в кинематических цепях путем создания структур управления, обеспечивающих нагрузки на уровне номинальных.

Теоретический и практический интерес представляют энергетические свойства электропривода по критерию минимального потребления электроэнергии, которые определяются коэффициентом динамичности тока якоря приводного электродвигателя как в случае управляющего, так и статического возмущающих воздействий.

Зависимость потребляемой мощности от коэффициента динамичности при управляющем возмущающем воздействии

где

относительная

потребляемая мощность; Р = Е*К>/КЛ - мощ-

ность при управляющем возмущающем воздействии; Рс = 1СЕ,

мощность

при отсутствии управляющего возмущающего воздействия амплитуда статического возмущающего воздействия, Е„ - инерционность преобразовательного устройства, К, - статический коэффициент передачи звена якорной цепи двигателя.

Зависимость потребляемой мощности от коэффициента динамичности /Сапри статическом возмущающем воздействии

где Р - относительная потребляемая м о щ н Е=£т1яьк'; - потреб-

ляемая мощность в случае статического возмущающего воздействия;

- потребляемая мощность в случае отсутствия статического возмущающего воздействия (»е = const), I,- амплитуда возмущения по току якоря двигателя.

Анализ показывает, что соотношение между потребляемой мощностью приводного электродвигателя механизма вращения бурового станка и коэффициентом динамичности тока якоря имеет вид обратно пропорциональной зависимости, т.е. чем больше коэффициент динамичности тока якоря, тем меньше требуется электроэнергии на процесс резания.

Активное управление резонансными режимами возможно путём применения различных замкнутых структур системы управления.

Характеристическое уравнение с применением жесткой отрицательной обратной связи по скорости двигателя (рис. 2) имеет вид:

Д(р) = ргт.тм+ртя+к1, (7)

где - параметр жесткой отрицательной обратной связи по

скорости двигателя; - коэффициент жесткой отрицательной обратной связи по скорости двигателя.

А коэффициент динамичности по скорости в этом случае

Коэффициент динамичности по скорости при резонансе

О

Коэффициент динамичности по скорости уменьшается по сравнению с разомкнутой системой. Увеличение коэффициента динамичности невозможно

даже при < 0, то есть вследствие применения жесткой положительной обратной связи по скорости двигателя, так как подкоренное отрицательное значение с Л, возводится в квадрат. На рис. 4 представлен графический вид зависимости коэффициента динамичности угловой скорости вала двигателя при статическом возмущающем воздействии от параметра жесткой обратной связи по скорости двигателя. Коэффициент динамичности замкнутой структуры представлен относительно разомкнутой в виде

Рис4. Зависимость коэффигрлента динамичностиугловой скорости вала двигателя от гигрометра жесткой отрицательной обратной связи по скорости двигателя при статическом возмущающем воздействии.

Характеристическое уравнение с применением гибкой отрицательной обратной связи по току якоря (рис 2) имеет вид:

Д(р) = р2Тм(Т,+Т2)+рТ,+1, (9)

где - параметр гибкой обратной связи по току якоря двига-

теля; Тш - постоянная времени гибкой обратной связи по току якоря двигателя.

Коэффициент динамичности по скорости

где Q2 /(1 + 2пТг) ~ V2 - угловая частота собственных колебаний системы. Коэффициент динамичности по скорости при резонансе

, Уп + тм Тг V2 (1 + 2 пТг )]2 + ту (1+2 пТг У

2пТ,

Гибкая отрицательная обратная связь по току якоря двигателя влияет на частоту собственных колебаний системы, поэтому она может использоваться для настройки на резонансную частоту. Такая обратная связь также влияет на коэффициент динамичности по скорости, т.е. на амплитуду вынужденных колебаний скорости (рис.5).

К<Щ я 1.6 -

О 0,005 0.01 0,015 0.02 0,025 0,03 0.035 0,04 Т с

Рис, 5.Зависимость коэффициента динамичностиугловой скорости вала двигателя от параметра гибкой обратной связи по току якоря двигателя при статическом возмущающем воздействии: 1) отрицательная обратная связь; 2) положительная обратная связь.

На основании теоретических исследований выявлено, что применение жесткой и гибкой обратных связей по скорости двигателя и жесткой по току якоря двигателя обеспечивает управление амплитудой вынужденных колебаний тока и скорости для ограничения динамических нагрузок в кинематических цепях механизма вращателя бурового станка; гибкая обратная связь по току двигателя обеспечивает управление частотами собственных колебаний электромеханической системы для настройки на резонансный режим при статическом возмущающем воздействии.

Наибольший теоретический и практический интерес представляют энергетические свойства электропривода с замкнутыми системами управления. Энергетические свойства электромеханической системы в резонансных режимах по критерию минимума потребляемой электроэнергии определяются коэффициентом динамичности тока якоря двигателя как при управляющем (5), так и при статическом возмущающем воздействии (6). Снижение потребления электроэнергии возможно, если коэффициент динамичности кы >1.

Анализ поведения координаты тока якоря двигателя в резонансном режиме для различных замкнутых структур управления показывает, что коэффициент динамичности для этой координаты может быть как больше, так и меньше единицы.

При исследовании этих структур с целью определения степени их влияния на энергетические свойства электропривода вращателя бурового станка анализу подвергается также поведение координаты угловой скорости вала двигателя. Чрезмерный коэффициент динамичности угловой скорости вала двигателя вызывает негативные тенденции в кинематических цепях ме-

ханизма вращателя: дополнительные динамические нагрузки и повышенная вибрация бурового станка в целом.

Жесткая отрицательная обратная связь по скорости двигателя влияет на коэффициент динамичности скорости вала двигателя при статическом возмущающем воздействии в сторону его уменьшения. Минимум потребляемой электроэнергии достигается, когда параметр жесткой обратной связи по скорости к1 - 2,4. Экономия электроэнергии достигает при этом 39%. При к1 = 2,4 коэффициент динамичности уменьшается на 30%, а при больших значениях к1 среднее значение коэффициента динамичности скорости вала двигателя снижается на 70 - 80%. Таким образом, структура с жесткой отрицательной обратной связью по скорости позволяет экономить потребляемую электроэнергию в резонансном режиме при ограничении нагрузок в кинематических цепях механизма вращателя за счет снижения коэффициента динамичности угловой скорости вала двигателя.

Зависимость относительной величины потребляемой электроэнергии при резонансном режиме от параметра жесткой обратной связи по скорости двигателя приведена на рис. 6.

Р'

0,4----------

02----------

0-1---------

1 23458789^

Рис6. Зависимость относительной потребляемоймощностимеханизма вращателя бурового станка в резонансном режиме от параметра жесткой отрицател ьной обратной связи по скорости двигателя при статическом возмущающем воздействии.

Экономия электропотребления в структуре с гибкой отрицательной обратной связью по току якоря двигателя при статическом возмущающем воздействии может достигать 30%. Величина параметра гибкой отрицательной обратной связи по току якоря двигателя должна составлять Т2 = 0,059 с, при

этом = МЗ, а к'^ =1,84.

Как видно из графической зависимости (рис. 7), относительная величина потребляемой мощности что невозможно, так как

коэффициент динамичности угловой скорости вала двигателя при этом Это ведет к аварийному режиму работы электромеханической

Это ведет к аварийному режиму работы электромеханической системы вращателя бурового станка.

Р'

0,4--------

0,2--------

0 -------

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 у с

Рис.7. Зависимость относительной величины потребляемой электроэнергии при резонансном режиме от параметра гибкой отрицательной обратной связи по току якоря двигателя.

Анализ исследований показывает, что оптимизация процесса бурения по критерию минимума потребляемой мощности при управляющем возмущающем воздействии возможна с помощью структур управления электропривода механизма вращателя бурового станка, содержащих положительные обратные связи - гибкую по скорости и жесткую по току якоря двигателя; при статическом возмущающем воздействии структур управления, содержащих жесткие обратные связи - отрицательную по скорости и положительную по току якоря двигателя; гибкие обратные связи - отрицательную по току и положительную по скорости двигателя.

Установлено, что наиболее рациональной является структура с жесткой отрицательной обратной связью по скорости двигателя при статическом возмущающем воздействии, дополненная гибкой обратной связью по току якоря двигателя для настройки на резонансную частоту.

В четвертой главе разработана математическая модель электромеханической системы вращателя бурового станка, приведены результаты математического моделирования процессов на ПК, разработана методика проведения экспериментальных исследований электромеханической системы бурового станка вращателя с рациональной структурой активного управления резонансными режимами по критерию минимума потребляемой электроэнергии.

Исследования электромеханической системы бурового станка вращателя с разомкнутыми и замкнутыми системами управления проведены на математической модели и реализованы на персональном компьютере с использованием пакета прикладных программ МАТЬАБ.

В качестве исходных данных для моделирования использовались параметры электромеханической системы вращателя бурового станка типа СБШ-250МН с электродвигателем типа ДПВ-52У2. В соответствии с техническими

данными электродвигателя и электромеханической системы вращателя бурового станка определены параметры структурной схемы рис. 2, являющейся исходной для математического моделирования.

Исследования динамической модели подтвердили справедливость полученных аналитических результатов, а также позволили определить оптимальные параметры рациональной структуры активного управления резонансными режимами по критерию минимума потребляемой мощности.

Рациональная структурная схема активного управления резонансными

режимами представлена на рис.8.

Рис 8. Рациональная структурная схема активногоуправлениярезонанснымире-жимами электромеханической системы вращателя бурового станка.

Знак дополнительной гибкой обратной связи определяется частотой статических возмущающих воздействий оз. Если частота собственных колебаний С1>а>, то для достижения резонансного режима необходимо применять гибкую отрицательную обратную связь по току. В случае О <а> необходимо использовать гибкую положительную обратную связь по току. Жесткая отрицательная обратная связь по скорости двигателя позволяет ограничивать амплитуду вынужденных колебаний тока якоря до уровня необходимых энергетических показателей, одновременно снижая динамические нагрузки в кинематических цепях.

Реализация рациональной структуры управления резонансными режимами требует решения задачи по определению параметров системы управления. Методика определения параметров рациональной структуры управления резонансными режимами включает следующие положения:

1. Величина гибкой обратной связи по току определяется исходя из частот возмущающих статических воздействий. Для этого необходимо зафиксировать частоты вынужденных колебаний тока якоря, которые совпадают с частотами возмущающих статических воздействий а). Для определения частот собственных колебаний П электромеханической системы получают осциллограммы переходных процессов тока якоря двигателя в режиме холостого хода, т.е. без соприкосновения режущего инструмента с забоем.

2. Параметр гибкой обратной связи по току якоря в резонансном режиме определяется из следующего выражения:

а величина гибкой обратной связи

2 псо2

01)

(12)

3. Так как жесткая отрицательная обратная связь по скорости двигателя предназначается для воздействия на амплитуду вынужденных колебаний тока якоря двигателя в резонансном режиме, то вводится понятие о коэффициенте воздействия на амплитуду вынужденных колебаний тока

т ~

^\ + 2пТ2^(к1-1)2П2 +4пг'

(13)

4. Для заданного значения коэффициента воздействия на амплитуду вынужденных колебаний тока, необходимая величина параметра жесткой отри-дательной обратной связи по скорости двигателя определяется решением квадратного уравнения относительно

2П\\+2пТг)тг

к, -

(П1 +4пг){\ + 2пТг)тг

. , , =0, (14)

Пг(1 + 2пТгтг-4л2 2 Пг(\+2пТ1)т1 -4пг

а величина жесткой обратной связи по скорости двигателя определяется выражением

=

КуКяК>Кс

(15)

На рис. 9 и рис. 10 представлены колебательные процессы тока якоря и угловой скорости двигателя в структуре с гибкой отрицательной обратной связью по току якоря и жесткой отрицательной обратной связью по скорости двигателя при статическом возмущающем воздействии. На интервале времени (I) гибкая отрицательная обратная связь по току якоря включена, жесткая отрицательная обратная связь по скорости двигателя отключена; на интервале времени (II) обе обратные связи включены. Сравнение графиков с разомкнутой (I) и замкнутой (II) по скорости цепям воздействия показывает, что амплитуда тока изменилась на 7,6 % по сравнению с заданным значением, что в пределах допустимого, а амплитуда скорости значительно уменьшилась, что обеспечивает ограничение динамических усилий в кинематических цепях

электромеханической системы вращателя бурового станка с рациональной структурой управления.

Рис.9. Колебательный процесс токаякоря двигателя вращателя бурового станка СБШ-250МНсрациональной структурой активногоуправлениярезонанснымирежимами

Рис 10. Колебательный процессу гловой скорости вала двигателя вращателя бурового станка СБШ-250МНсрациональной структурой активногоуправлениярезонансны-мирежимами

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки структуры управления энергосберегающим электроприводом буровых станков типа СБШ, способствующей снижению потребления электроэнергии за счет использования управляемого резонансного режима.

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что резонансный режим в электромеханической системе вращателя бурового станка возможен благодаря двум каналам возмущающего воздействия: каналу управления, в котором создается сигнал управления с гармоническими колебаниями, и каналу статического возмущения в зоне резания, обусловленного состоянием горного массива и особенностями режущего инструмента.

2. Получены аналитические зависимости между потребляемой мощностью приводного электродвигателя механизма вращателя бурового станка и коэффициентом динамичности тока якоря, позволяющие количественно оценить величину электропотребления.

3. Разработана рациональная структурная схема активного управления резонансными режимами, в основу которой положена оптимизация процесса бурения по критерию минимума потребляемой мощности.

4. Получены аналитические зависимости коэффициентов динамичности тока якоря и скорости двигателя при управляющем и статическом возмущающих воздействиях, позволяющие разработать рационалыгую структуру управления электроприводом вращателя бурового станка, оптимальную по критерию минимума потребляемой электроэнергии и допустимым нагрузкам в кинематических цепях.

5. Разработана математическая модель электропривода вращателя бурового станка с разомкнутой и замкнутой структурами управления, позволяющая анализировать энергетические характеристики резонансных режимов электромеханической системы в процессе резания.

6. Разработанная методика определения параметров электромеханической системы вращателя бурового станка позволяет получить оптимальные параметры рациональной структуры активного управления резонансными режимами по критерию минимума потребляемой электроэнергии.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1.Плащанский Л.А., Фащиленко Д.В., Хапаев А.Б. Анализ энергетических характеристик электромеханической системы в резонансных режимах. -М: 2001.- Деп. в изд-во МГТУ 04.06.2001, №468.

2. Фащиленко В.Н., Хапаев А.Б. Динамика электроприводов в резонансном режиме / Отдельные статьи горного информационно-аналитического бюллетеня. -М.: Изд-во МТУ, 2003. - №8. - С. 10-18.

3. Фащиленко В.Н., Хапаев А.Б. Резонансный режим электромеханической системы /Отдельные статьи горного информационно-аналитического бюллетеня. - М.: Изд-во МГГУ, 2003. - №8. - С.3-10.

4. Фащиленко В.Н., Хапаев А.Б. Экспериментальные исследования электромеханической системы в резонансном режиме с замкнутой цепью воздействия.- М: 2003.-Деп. в изд-во МГГУ 03.11.2003, №27/9-326.

5. Хапаев А.Б. Анализ энергетических характеристик электромеханической системы в резонансных режимах с замкнутыми структурами управ-ления.-М: 2003.-Деп. в изд-во МГГУ 31.10.2003, №27/9-324.

Подписано в печать 05.04.2004г. Формат 60x90/16. Бумага офсетная Объемом п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 636

Типография Московского государственного горного университета 119991 Москва, ГСП - 1 , Ленинский проспект, 6.

п-71 62

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и техническая направленность работ в области регулируемого электропривода буровых станков.

1.1 .Техническая направленность и анализ систем электропривода буровых станков.

1.2. Анализ энергосберегающих технологий в электроприводах машин и установок.

1.3. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Анализ резонансных режимов электромеханических систем буровых станков.

2.1. Электромеханическая система вращателя бурового станка как объект регулирования.

2.2. Обоснование и выбор воздействия на ЭМС вращателя, регулируемые координаты в резонансных режимах.

2.3. Исследование резонансных режимов в электромеханической системе при управляющем возмущающем воздействии.

2.4. Исследование резонансных режимов в электромеханической системе при статическом возмущающем воздействии.

2.5. Эквивалентная схема замещения и энергетические свойства

ЭМС вращателя бурового станка в резонансных режимах.

2.6. Выводы.

Глава 3. Управляемый резонансный режим ЭМС вращателя бурового станка.

3.1. Исследование резонансных режимов в электромеханической системе с жесткой отрицательной обратной связью по скорости двигателя.

3.2. Исследование резонансных режимов в электромеханической системе с гибкой отрицательной обратной связью по скорости двигателя.

3.3. Исследование резонансных режимов в электромеханической системе с жесткой отрицательной обратной связью по току двигателя.

3.4. Исследование резонансных режимов в электромеханической системе с гибкой отрицательной обратной связью по току двигателя.

3.5. Энергетические свойства ЭМС вращателя бурового станка в резонансных режимах с замкнутой системой управления.

3.6. Выводы.

Глава 4. Экспериментальные исследования ЭМС буровых станков.

4.1. Методика экспериментальных исследований ЭМС вращателя бурового станка в резонансных режимах.

4.2. Исследование резонансных режимов электромеханической системы вращателя бурового станка с разомкнутой цепью воздействия.

4.3. Исследование резонансных режимов электромеханической системы вращателя бурового станка с замкнутой цепью воздействия.

4.4. Методика определения основных параметров электромеханической системы вращателя бурового станка в резонансных режимах.

4.5. Исследование электромеханической системы вращателя бурового станка с рациональной структурой активного управления резонансными режимами.

4.6. Выводы.

Актуальность работы. В настоящее время на карьерах и разрезах подготовка горных пород к выемке с применением взрывного воздействия обеспечивается бурением взрывных скважин, при этом до 70-80% объемов бурения выполняется шарошечными станками. Потери мощности в трансмиссиях главных механизмов современных буровых станков подчас достигают 2040% как для электроприводов постоянного тока, так и для объемных гидроприводов, выполненных по традиционной схеме. Рост цен на энергоносители вызывает необходимость применения буровой техники с энергосберегающими силовыми установками, использующими электрический двигатель.

Буровая штанга представляет собой систему с распределенными параметрами, которая является источником продольных и поперечных колебаний. Упругие усилия, возникающие при этом, для большинства машин и механизмов являются нежелательными, т.к. приводят к дополнительным динамическим нагрузкам. Для механизмов вращателей буровых станков эти упругие колебания желательно использовать как дополнительный источник механических воздействий, направленный на разрушение горных пород при бурении. Решение такой задачи позволяет сформировать энергосберегающую технологию, при которой потенциальная энергия в буровой штанге не рассеивается в элементах электромеханической системы, а направляется на разрушение горной массы при бурении. Поэтому разработка энергосберегающего электропривода буровых станков является актуальной научной задачей:

Целью работы является разработка структуры управления энергосберегающим электроприводом буровых станков типа СБШ, улучшающая энергетические показатели.

Идея работы состоит в оптимизации электропотребления электропривода вращателя бурового станка по критерию минимума потребляемой мощности за счет управляемого резонансного режима электромеханической системы.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

1. Модель структуры системы управления электроприводом вращателя бурового станка, отличающаяся тем, что используется принцип управляемого резонанса для минимального потребления электроэнергии.

2. Аналитические зависимости показателей резонансного режима от параметров электромеханической системы с разомкнутой и замкнутой структурой системы управления электропривода.

3. Аналитические зависимости энергетических характеристик электропривода показателей резонансного режима.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным применением теории автоматического управления, теории электропривода, теории колебаний, методов математического моделирования, сравнением результатов аналитических исследований и имитационных экспериментов, достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми не превышает 15%.

Научное значение работы состоит в разработке математической модели электропривода вращателя бурового станка, что развивает теорию электромеханических систем; установлении зависимости показателей резонансного режима от параметров электромеханической системы при различных системах управления электропривода, что развивает теорию электропривода и теорию колебаний; установлении закономерности воздействия на энергетическую часть электропривода, что развивает теорию управления электропотреблением.

Практическая ценность работы состоит в разработке рациональной структуры системы управления электроприводом механизма вращателя бурового станка, оптимальной по критерию минимума потребляемой мощности, позволяющей повысить эффективность эксплуатации электрооборудования; методики определения параметров рациональной структуры управления электроприводом механизма вращателя бурового станка, позволяющей сократить время проектирования и повысить эффективность наладочных работ.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанная структура управления энергосберегающим электроприводом бурового станка принята к реализации ООО Карачаевским горным предприятием «Алибек» при модернизации находящихся в эксплуатации буровых станков типа СБШ-250.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на следующих научных семинарах: МГГУ «Неделя горняка-2000», МГГУ «Неделя горняка-2001».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения; содержит 57 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 63 источников и 2 приложения.

4.6. Выводы

1. Для. проверки полученных в работе теоретических положений предложены экспериментальные исследования с использованием математических методов моделирования динамических процессов с помощью пакета прикладных программ MATLAB, которая представляет собой хорошо апробированную и надежную систему, рассчитанную на решение широкого круга математических задач в универсальной матричной форме.

2. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований электромеханической системы вращателя бурового станка в структуре с разомкнутым управлением показывает, что погрешность находится в: области допустимых величин и не превышает 6,7%.

3. Экспериментальные исследования электромеханической системы вращателя бурового станка в структуре с замкнутым управлением показывают, что качественные показатели поведения координат соответствуют полученным теоретическим положениям.

4. Разработанная методика определения параметров электромеханической системы вращателя бурового станка позволяет получить оптимальные параметры рациональной структуры активного управления резонансными режимами по критерию минимума потребляемой электроэнергии.

5. Экспериментальные исследования электромеханической системы вращателя бурового станка с рациональной структурой активного управления резонансными режимами показывают, что качественные показатели поведения координат соответствуют полученным теоретическим положениям; погрешность находится в области допустимых величин и не превышает 7,6%. т

154

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки структуры управления энергосберегающим электроприводом буровых станков типа СБШ, способствующей снижению потребления' электроэнергии за счет использования управляемого резонансногор£ЖИмаг—

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что резонансный режим в электромеханической системе вращателя бурового станка возможен благодаря двум каналам возмущающего воздействия: каналу управления, в котором создается сигнал управления с гармоническими колебаниями, и каналу статического возмущения в зоне резания, обусловленного состоянием горного массива и особенностями режущего инструмента.

2. Получены аналитические зависимости между потребляемой мощностью приводного электродвигателя механизма вращателя бурового станка и коэффициентом динамичности тока якоря, позволяющие количественно оценить величину электропотребления.

3. Разработана рациональная структурная схема активного управления резонансными режимами, в основу которой положена оптимизация процесса бурения по критерию минимума потребляемой мощности.

4. Получены аналитические зависимости коэффициентов динамичности тока якоря и скорости двигателя при управляющем и статическом возмущающих воздействиях, позволяющие разработать рациональную структуру управления электроприводом вращателя бурового станка, оптимальную по критерию минимума потребляемой электроэнергии и допустимым нагрузкам в кинематических цепях.

5. Разработана математическая модель электропривода вращателя бурового станка с разомкнутой и замкнутой структурами управления, позволяющая анализировать энергетические характеристики резонансных режимов электромеханической системы в процессе резания.

6. Разработанная методика определения параметров электромеханической системы вращателя бурового станка позволяет получить оптимальные параметры рациональной структуры активного управления резонансными режимами по критерию минимума потребляемой электроэнергии.

1. Обоснование способа и разработка средств энергосбережения в электроприводе вращателя бурового станка.

2. Аванесов В.А., Москалева Е.М. Расчеты бурового оборудования. /Уч. пособие. -Томск, —1995. -103с.

3. Божко Р.В., Сиротский А.Н. Электропривод вращателя станка шарошечного бурения. // Полезные ископаемые России и их освоение: Ежегод. науч. конф. молод, уч. 23-24 апреля 1997 г. С-Петербург,- 1997. -с.62.

4. Гаджумян Р.А. Анализ конструкций надцолотных амортизаторов. // Промышленность Армении. -1976. №4. - с.49-50.

5. Гавашели Л.Ш. Признаки неравномерности скорости вращения динамического бурового става станков шарошечного бурения и методы устранения.// Тр. ин-т / Ин-т горной механики АН ГССР. -1990 с.9.

6. Гавашели Л.Ш. Теория виброударных процессов, возникающих при бурении шарошечными станками с применением виброзащитного устройства. // Тр. ин-т / Ин-т горной механики АН ГССР. -1998 с.9;

7. Глушко В.В. Характеристики режимов работы горных машин и их автоматическое управление. М.: Недра, 1983. - 240с.

8. Григорьев М.И. Выбор электропривода бурового станка с учетом крутильных колебаний колонны бурильных труб //Новые достижения в науках о Земле: Тез. докл. 2-й Междунар. конф. М.:МГТА, 1996. - с.176-178.

9. Ильинский Н.Ф. Энергосбережения в центробежных машинах средствами электропривода. //Вестник МЭИ.- 1995-№1. -с.53-62

10. Калинин С.Г. Динамика несущих конструкций буровых установок.-Львов. Изд-во при Львов. Гос. ун-та, 1988. -141с.

11. Каталог разработок АзНИПИнефти в области техники и технологии бурения.// Баку АзНИПИнефть. Баку, - 1986. - с.42.

12. Кирьянчук В.Г. Обоснование и выбор параметров анкерных устройств для станков шарошечного бурения: Дис. . канд.техн.наук: 05.09.03 / Моск.горный ин-т. -М., 1987. -195с.

13. Ключев В.И. Серия, модульных тиристорных преобразователей ПТЭМ-2Р экскаваторного исполнения // Автоматизированный электропривод АЭП — 2001: Тр. III Междунар. науч.- техн. конф. 12-14 сентября 2001г. -Н. Новгород, 2001, с.152 - 155.

14. Ключев В.И!,, Миронов Л.М., Славгородский В.Б. Перспективные системы экскаваторного электропривода // Энергосбережение на; промышленных предприятиях: Тез.докл. Матер. II Междунар. науч.-техн. конф Магнитогорск, 2000. - с.266 — 268

15. Кутузов Б.Н. Теория техники и технологии буровых работ. — М.: Недра, 1972,-340с.

16. Лебедев Е.Д., Неймарк В.Е., Пистрак М.Я., Слежановский О.В. Управление вентильными электроприводами постоянного тока.-М.: Энергия,т 1970,-200с.

17. Леоненко С.С., Леоненко А.С. Специальные технические средства повышения эксплуатационных свойств электромеханического оборудования горных предприятий: Монография Иркутск: ИрГТУ, 1999. - 126с.

18. Лиманов Е.Л. Пути совершенствования техники и технологии бурения скважин // Совершенствования техники и технологии: Тез. докл. Межвуз. сб. науч. тр. КазПТИ. Алма-Ата, 1986. - с.54—58.

19. Лясецкий В .А. Буровые машины и механизмы./Уч. пособие. — Тбилиси, 1988. -421с.

20. Моцохейн Б.И. Электротехнические комплексы буровых устано-вок.-М.: Недра, 1991.-253с.

21. Моцохейн Б.И., Парфенов Б.М., Шпилевой В.А. Электропривод, электрооборудования и электроснабжения буровых станков.-Изд-во ТюмГНТУ- Тюмень , 1999. 262с.

22. Нанкин Ю.А. Результат испытаний бурового станка БСШ с автоматизацией процесса бурения // Известия вузов. Горный журнал — 1961.—№ 4. -с. 49-52.

23. Обморшев А.Н. Введение в теорию колебаний. М.:Наука, 1965. -276с.

24. Панфилов Г.А. Управляемые колебательные процессы в технологии бурения горизонтальных скважин. -Изд-во ТюмГНТУ, Тюмень. - 1999.- 109с.

25. Петков О.Н. Разработка и исследование системы автоматического управления скоростью ленточного конвейера по входному грузопотоку; Автореф. дис. канд. тех. наук: 05.05.06/ Моск. горный ин-т. М., 1984. -12с.

26. Плащанский JI.A., Фащиленко Д.В., Хапаев А.Б. Анализ энергетических характеристик электромеханической системы в резонансных режимах М., 2001.- Деп. в изд-во МГГУ 04.06.2001, №468.

27. Рябчиков А.Б. Проектирование буровых машин и механизмов. /Уч. пособие-Томск,- 1995.- 103с.

28. Сандалов В.Ф. Исследование гидромеханизации защитногоустройства привода исполнительного органа роторного экскаватора: Дисканд.техн.наук: 05.09.03 /Моск.горный ин-т. -М., 1988.-154с.

29. Сениашвили А.Д. Основы методики исследования и расчета динамики системы бурильного инструмента // Тр. ин-т / Ин-т горной механики АН ГССР.- 1986,- с.98 102.

30. Сениашвили А.Д. О виброзащите станков шарошечного бурения для открытых горных работ // Тр. ин-т / Ин-т горной механики АН ГССР. -1972,-с. 70 -73.

31. Симонов В.В., Юнин Е.К. Влияние колебательных процессов на работу бурильного инструмента М.: Недра, 1977,- 216с.42: Соловьев А.В., Ананьев В.И. Автоматизированный электропривод вращателя станка шарошечного бурения./ Уч.пособие. С-Петербург,1999, -96с.

32. Столяров И.Н. Автоматизированный электропривод станков шарошечного бурения.-Л. :Изд-во ЛГИ, 1979 85с.44: Суханов А.Ф., Кутузов Б.Н., Шмидт Р.Г. Вибрация и надежность работы станков шарошечного бурения М.: Недра, 1969,— 156с.

33. Технико-экономические показатели работы буровых станков на открытых разработках СКБ/СГО - М.: 1993-24с.

34. Трегубов Н.М. Станки, технология и экономия шарошечного бурения-М.: Недра, 1975,-280с.

35. Тулин B.C. и др. Технико-экономическое обоснование энергетического перевооружения подземной добычи угля на основе регулируемого привода электрического / Краткое содержание техотчета МГИ по теме ПУ-13-541/223 .-МГИ, 1971.

36. Тулин B.C. Теоретические основы автоматизации производствен-• ных процессов в горной промышленности.- МГИ, 1961.

37. Тулин B.C. Электропривод и автоматика горной промышленности // Электричество. 1963-№ 1- с. 12-16.

38. Фащиленко В.Н. Разработка структур системы управления регулируемого электропривода шахтных ленточных конвейеров: Дис. канд. техн. наук: 05.09.03./Моск. горный ин-т. -М, 1986. 184с.

39. Фащиленко В.Н., Хапаев А.Б. Динамика электроприводов в резонансном режиме. / Отдельные статьи горного информационно-аналитического бюллетеня. М. Изд-во МГГУ, 2003. №8 с. 10-18.

40. Фащиленко В.Н., Хапаев А.Б. Резонансный режим электромеханической системы. /Отдельные статьи горного информационно-аналитического бюллетеня. М. Изд-во МГГУ, 2003. №8 с.3-10.

41. Фащиленко В.Н., Хапаев А.Б. Экспериментальные исследования электромеханической системы в резонансном режиме с замкнутой цепью воздействия М., 2003- Деп. в изд-во МГГУ 03.11.2003, №27/9-326.

42. Фрер Ф., Ортенбургер Ф. Введение в электронную технику регулирования-М.: Энергия, 1974,- 190с.

43. Хапаев А.Б. Анализ энергетических характеристик электромеханической системы в резонансных режимах с замкнутыми структурами управления.-М., 2003.-Деп. в изд-во МГТУ 31.10.2003, №27/9-324.

44. Харченко Е.В. Динамические процессы буровых установок. — Свит. -Львов, 1991.- 173с.

45. Челнаков И.И., Индренко Р.Э., Осиновский Л.Л. Исследования вибраций буровых шарошечных станков БАШ-250 // Тр. ин-та / Ин-т Гипроникель. 1973- Вып.56 - с. 19-27.

46. Ф 59. Чугунов В.Д., Наринский И.Э. Исследования динамических взаимодействий шарошечного долота с забоем при бурении скважин // Тр. ин-та НИПИГОРМАШ / Ин-т НИПИГОРМАШ.- 1986. Вып.2.- с. 30-41.

47. Шабанов В.А. Электрооборудование и электропривод установок бурения.- УНИ .: Уфа, 1992.- 75с.

48. Шевырев Ю.В., Алексеев В.В., Парфенов Б.М., Смирнов О.В. Энергосбережение в геологоразведочной отрасли посредством выбора рационального электропривода // Геологическое изучение и использование недр. МГГА, - 2000.- №4. - с.44-68.

49. Шкурко О.А. Электромеханический преобразователь для бурового снаряда на грузонесущем кабеле: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.09.03. /С-Петербург. гос. горный ин-т. РИЦ СППГИ. 1998. - 24с.

50. Шмидт В.Э. Исследование приводов вращательно-подающего механизма бурового станка ПБС-100 "Сихали" // Полезные ископаемые России и их освоение: Ежегод. науч. конф. молод, уч. 23-24 апреля 1997 г. С- Петербург-1997. - с.102- 104.