Содержание
Конвейерно-транспортные машины различной мощности, производительности и протяженности являются одним из основных видов грузового транспорта на угольных шахтах и предприятиях по переработке полезных ископаемых.
Речь идет о следующих предприятиях:
- Угольных и рудных обогатительных фабриках.
- Металлургических заводах и других производствах.
От надежной, ритмичной и безотказной работы этих механизмов напрямую зависят производительность и экономические показатели работы предприятия в целом.
Описание предметной области исследований
Работа узлов и агрегатов конвейерных линий сопровождается воздействием значительных механических нагрузок.
В большинстве случаев эти нагрузки являются расчетными, но даже в этом случае их постоянное воздействие приводит к постепенному износу и в конечном итоге выходу механизма из строя по тем или иным причинам.
Сами эти причины весьма разнообразны, а именно:
- Сложность и тяжесть повреждения определяет продолжительность простоя оборудования, затраты на ремонт, размер ущерба.
- В этой связи защита механизмов от опасных режимов работы и своевременная диагностика возникающих неисправностей является одним из условий бесперебойной работы агрегатов и предприятия в целом, на основании работы [1]
- Важно отметить, что во многих случаях конвейерные механизмы в течение эксплуатационных периодов работают без наблюдения персонала, либо его количество мало по сравнению с количеством обслуживаемого оборудования.
По этой причине сами аварии выявляются несвоевременно, а их характер определяется зачастую неверно, что увеличивает потери производства.
Поэтому своевременное и точное определение места и характера повреждения технологического оборудования является актуальной задачей.
В условиях отсутствия постоянного обслуживающего персонала, для определения неисправностей и аварийных ситуаций важно задействовать все имеющиеся возможности, в том числе и косвенные.
Стандартная технологическая схема конвейерной линии представлена на рисунке 1:
где
- 1 – электродвигатель.
- 2 – редуктор.
- 3 – питатель.
- 4 – бункер.
- 5 — опорные и поддерживающие ролики.
- 6 — конвейерная лента.
- 7 — станция натяжения ленты.
- 8 — железоуловитель и железоотделителъ.
Все перечисленные здесь элементы в процессе эксплуатации подвержены износу и поломкам.
Отказ любого из них может привести к остановке конвейера в целом, и, как следствие, всей технологической цепочки.
На практике контроль состояния механизма осуществляется следующими датчиками:
- Контроля схода ленты.
- Температуры смазки редуктора.
- Контроля станции натяжения ленты.
- Скорости вращения головного барабана.
- Застревания горной массы (заштыбовки).
- Уровня горной массы в бункере приема и отгрузки.
Перечисленные выше датчики не могут в полной мере охватить весь спектр аварийных ситуаций, присущих конвейерным установкам, а именно:
- Обратный ход груженой ленты.
- Расцепление передаточных муфт редуктора.
- Заклинивание или обрыв ленточного полотна и прочие.
- Неисправность опорных подшипников редуктора и барабанов.
Поэтому весьма желательна разработка дополнительных методик контроля, действующих в комплексе со стандартными защитами.
Решить поставленную задачу можно путем контроля электрических параметров приводного электродвигателя сопряженного с механической частью конвейера.
Вывод математической модели
Известно, что в электроприводе большинства конвейерных механизмов используются асинхронные электродвигатели, которые преобразуют электрическую энергию питающей сети в механическую энергию на валу.
Неисправности механической части конвейера приводят к отклонениям величины момента на валу электродвигателя от нормальных для данного режима значений.
Следовательно, контролируя электрические параметры приводного двигателя можно судить о состоянии механической части конвейерного механизма, согласно работам [4 и 6].
Теоретической основой методики контроля являются известные описания переходных и энергетических процессов в асинхронном электродвигателе [2].
Упрощенная схема замещения асинхронной машины, представлена на рисунке 2 [4]:
Опираясь на методику описания асинхронной машины в координатной системе, вращающейся с угловой скоростью ѡk уравнения состояния электрических параметров, выразятся [4]:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
где
- is, ir — токи статора и ротора.
- ѡ — угловая скорость ротора.
- М — момент на валу двигателя.
- us, ur — напряжения статора и ротора.
- Ls, Lr — индуктивности статора и ротора.
- Rs, Rr — сопротивления статора и ротора.
- ωk — угловая скорость системы координат.
- Ψs, Ψr — потокосцепления статора, ротора.
- Lm — взаимная индуктивность статора и ротора.
Численная величина момента на валу описывается выражением, на основании работы [5]:
(6)
где
- р — число пар полюсов.
- Е2н — ЭДС неподвижного ротора.
- I2 — фазный ток обмотки ротора.
- ω2 — синхронная скорость поля статора.
- Ψ2 — угол сдвига фаз тока ротора и ЭДС.
Если в это уравнение подставить величину ЭДС, то получим следующее выражение момента:
(7)
где
- Ф — постоянный магнитный поток в зазоре.
- ѡ2 — количество витков обмотки ротора.
- k2 — обмоточный коэффициент ротора.
- f — частота напряжения сети.
Векторная диаграмма работающего асинхронного двигателя изображена на рисунке 3, на основании исследований [5]:
Активную составляющую первичного напряжения машины, согласно рисунку З, можно выразить:
(8)
где
- U1 — напряжения статора.
- U — модуль вектора Э.Д.С. статора.
- R1 — активное сопротивление статора.
- Ψ1 — угол сдвига фаз между ЭДС и током статора.
- ϕ1 — угол сдвига фаз между током (I1) и напряжением (U1) статора.
Умножив левую и правую части уравнения (8) на I1, получим выражение мощности, потребляемой одной фазой двигателя, через потери в меди обмотки статора и через мощность, передаваемую одной фазой вращающемуся полю:
(9)
Значение I1 cosΨ1 можно заменить через соответствующие составляющие намагничивающего тока и приведенного тока ротора согласно диаграмме, изображенной на рисунке 4 [5]:
Из приведенной диаграммы следует:
(10)
где
- α — угол магнитных потерь.
- I2 -приведенный ток ротора.
- I0 -ток ветви намагничивания.
С учетом (10) выражение (9) преобразуется:
(11)
Из выражения (11) следует:
(12)
где
- I0sinα -произведение тока ветви намагничивания и синуса угла магнитных потерь (величина незначительная и в процессе работы остающаяся практически неизменной).
Реальный ток ротора I2 при известном значении приведенного тока I2 определится выражением:
(13)
где
- ѡ1 — количество витков статора.
- k1 — обмоточный коэффициент статора.
- m2 — число фаз обмотки ротора.
- k2 — обмоточный коэффициент ротора.
- ѡ2 — количество витков обмотки ротора.
С учётом (12 и 13) выражение момента на валу двигателя будет иметь вид:
(14)
Таким образом, зная значения R1, ѡ1, k1, Ф, ѡ1 и учитывая постоянную составляющую I0 sinα, измерение величин U1 , I1, cosϕ1 можно считать косвенным измерением величины момента на валу.
Расчетный пример применения методологии
Вместе с тем использование полученного выражения для построения защиты конвейерной линии затруднено по следующим причинам:
- Величины магнитного потока Ф, числа витков обмотки статора ѡ1, активного сопротивления обмотки статора R1 как правило не указываются в паспортных данных и сопроводительных данных на электрическую машину.
- Полученное выражение (14) пригодно для описания момента двигателя только в установившихся режимах с постоянной нагрузкой. В режимах пуска, изменения загрузки механизма или по какой-либо аварийной ситуации возникают переходные процессы, как в механической, так и в электрической частях электропривода.
- Значение питающего напряжения U1 нельзя принимать постоянным, так как оно зависит от конструктивных параметров сети электроснабжения [3].
Однако, известны способы вычисления значений параметров, указанных в выражении (14):
- Величины магнитного потока Ф, числа витков обмотки статора ѡ1, активного сопротивления обмотки статора R1, относятся к так называемым наблюдаемым параметрам электрической машины, значения которых можно определить, используя методику, изложенную в [3].
- Математическая модель механизма и сопряженной с ним асинхронной машины в переходных режимах представлена системой дифференциальных уравнений, решение которой позволяет получить зависимость момента валу двигателя в периоды протекания динамических процессов.
- По данным [3] как правило получается колебательный переходный процесс заканчивающийся в течение 0,4…0,6 секунды, что позволяет применять предложенную методику определения момента, так как время протекания механических переходных процессов существенно больше.
- Влияние на величину напряжения конструктивных параметров сети электроснабжения можно оценивать по методикам, изложенным в [3]. При этом необходим замер текущего значения напряжения на зажимах двигателя.
Таким образом, контролируя указанные в уравнении (14) параметры и учитывая, что их изменения при смене режимов работы технологического объекта и появление неисправностей механической части происходят значительно быстрее по сравнению с изменением величин скольжения и скорости, можно фиксировать возникновение нештатных режимов работы механизма в самый начальный момент их появления.
Изложенная методика для конкретного технологического агрегата позволяет оценить:
- Ток статора.
- Величины изменения момента на валу.
- Коэффициента мощности приводного электродвигателя при изменении вида нагрузок, причинами которых служат разного рода механические неисправности, отклонение масс перевозимого груза и другое.
Например, для механизма конвейера углеподачи ЦОФ «Краснобродская-Коксовая», рассмотрим приводной электродвигатель BA02-315L6 со следующими характеристиками:
- Рн=200 кВт.
- nн= 965 об/мин.
- Номинальный ток статора Iн= 437А.
Получены величины отклонения параметров в различных режимах работы, в том числе и нештатных приведены в таблице 1:
Полученные данные подтверждают, что контролируя электрические параметры асинхронного электродвигателя можно идентифицировать аварийные режимы и техническое состояние механизма.
Устройства контроля можно реализовать на базе микропроцессорных устройств, предусмотренных в штатных системах автоматики.
Фрагмент функциональной схемы защиты, содержащий канал контроля величины тока статора представлен на рисунке 5:
где
- 1,2,14 — блоки задержки.
- 3 — измерительное устройство.
- 4,12,13 – ключи.
- 5 — блок снятия значения.
- 6,15 — блоки сравнения.
- 7 — блок памяти.
- 8 — блок регистрации.
- 9 — блок задания уставки.
- 10 — блок индикации.
- 11 — блок управления АД.
- 16 — блок задания.
Таким образом, контроль энергетических параметров технологического объекта в целом на наиболее доступном для точных замеров участке, позволяет распознавать и предупреждать аварийные режимы работы.
Список литературы
- Большаков А.С., Углеобогатительные и брикетные фабрики — Ленинград: Углеметтехиздат, 1982 год, страница 240.
- Ковач К.П., Рац И., Переходные процессы в машинах переменного тока: учебник для ВУЗов – Москва — Ленинград: Госэнергоиздат, 1963 год, страница 744.
- Ещин Е.К., Динамические процессы электромеханических систем горных машин в режимах пуска и стопорения, Диссертация доктора технических наук — Кемерово, 1996 год, страница 270.
- Методика автоматического распознавания аварийных ситуаций оборудования компрессорной станции.
- Касаткин А.С., Перекалин М.А., Электротехника: Учебник для ВУЗов — Москва: Государственное энергетическое издательство, 1955 год, иллюстрация страница 376.
- Кипервассер М.В., Методика автоматического распознавания аварийных ситуаций механического оборудования, сопряженного с электрической машиной — сборник трудов IV Всероссийской научной практической конференции, СибГИУ, Новокузнецк, 2010 год, страницы 245-247.
Источник: Контроль работоспособности конвейерного транспорта посредством регистрации параметров электропривода / Е.В. Пугачев, М.В. Кипервассер, Д.С. Аниканов // Вестник КузГТУ, 2013 год, №3, страница 101-105.
