Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных условиях ведения добычи полезных ископаемых открытым способом, при существующей жесткой конкуренции за потребителя перед горно-обогатительными комбинатами стоят задачи планомерного наращивания объемов производства, повышения эффективности ведения горных работ, увеличения коэффициента использования оборудования, сокращения внеплановых простоев технологического оборудования.
Первыми в сложной цепочке горнотранспортных комплексов стоят экскаваторы – высокопроизводительные машины, содержащие множество различных механизмов с электроприводами разных типов. Существующий парк карьерных экскаваторов, за небольшим исключением, оснащен электроприводами постоянного тока, преимущественно системы Г-Д.
Эффективность функционирования электротехнического комплекса карьерного экскаватора как системы определяется эффективностью функционирования как отдельных его подсистем, так и всего комплекса экскаватора в целом.
При этом, как показывает статистика, электротехнические системы (ЭТС) экскаваторов недостаточно надёжны, обладают высокой материалоемкостью и энергоемкостью. Время отказов ЭТС составляют 6 - 15% от времени работы экскаватора.
Жесткие требования предъявляют и к производительности экскаваторов, электроприводы основных механизмов которых работают в интенсивном повторно-кратковременном режиме, с большой частотой включений, при изменяющейся в широких пределах нагрузке на валу в весьма тяжёлых условиях воздействия внешних факторов. Они содержат упругие механические связи, обусловленные ограниченной жесткостью канатов, рабочего оборудования, валов передач, а также значительными зазорами в передачах и в сочленениях рабочего оборудования лопаты.
Это приводит к возникновению ударных нагрузок в стопорных режимах, увеличению динамических нагрузок, недопустимому перегреву, снижающих срок службы электродвигателей и пр.
Современное развитие ЭТС карьерных экскаваторов позволяет идентифицировать в обобщенном виде ряд функциональных свойств – надежность, энергоэффективность, эргономичность и производительность, результаты комплексного исследования которых будут способствовать устранению перечисленных выше негативных явлений.
Главным требованием, предъявляемым к системе управления электроприводами, является обеспечение безаварийной погрузки горной массы в любых экстремальных условиях с учетом работы электроприводов в предельном и стопорном режимах с различной комплектацией экскаваторов электрооборудованием.
Вместе с тем анализ отечественных и зарубежных научных публикаций и патентной документации свидетельствует о том, что в настоящее время в недостаточной степени разработаны как методы анализа и синтеза функциональных свойств электротехнических комплексов и систем экскаваторов, так и адекватные современному уровню развития электронной техники схемные решения по устройствам автоматики. Отсутствуют научно обоснованные методы оценки пожароопасности электротехнических систем карьерных экскаваторов. Согласно статистическим данным на горнорудных предприятиях в год на 1 – 2-х экскаваторах возникает пожар по причине, связанной с низковольтным комплектным устройством (НКУ).
Снижение динамических нагрузок в обмотках приводных двигателей, устранение ударных нагрузок в стопорных режимах и недопустимого перегрева электродвигателей можно обеспечить путем создания так называемого «мягкого» режима работы сетевых синхронных двигателей (СД), форсировкой тока возбуждения электродвигателей подъёма и напора, а также формированием требуемой формы электромеханической экскаваторной характеристики по критерию температурного нагрева якоря электродвигателя.
Недостаточная степень проработки методов анализа и синтеза функциональных свойств электротехнических систем, теоретического обоснования эксплуатационной безопасности и схемных решений по управлению электроприводами карьерных экскаваторов; исследование и обеспечение требуемой электромеханической экскаваторной характеристики в зависимости от допустимой температуры нагрева якоря; исследование и разработка высоконадёжных систем управления, позволяющих на основе опережающей форсировки возбуждения обеспечить «мягкий» режим для сетевых СД, а для электроприводов подъёма и напора устранение ударных нагрузок в стопорных режимах, обеспечивающих качество процессов экскавации и динамических свойств ЭТС, являются актуальной научной проблемой.
Целью работы является теоретическое обоснование решений по управлению ЭТС для улучшения динамических свойств электроприводов, повышения надежности, энергоэффективности, эксплуатационной безопасности и производительности, что развивает теорию анализа и синтеза функциональных свойств электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Идея работы заключается в том, что для электротехнических систем карьерных экскаваторов целесообразно обеспечивать форсированные режимы работы электроприводов копающих механизмов и синхронных электродвигателей в зависимости от допустимых динамических нагрузок электроприводов, условий эксплуатации и нагрева электродвигателей.
Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались методы теорий электропривода и автоматического управления, математической статистики, теорий надежности и нечетких множеств, математического моделирования с применением компьютерной техники.
Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях ОАО «Лебединский ГОК».
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Математические модели безотказности и ремонтопригодности электротехнических систем карьерных экскаваторов, представленные экспоненциальным законом распределения и зависимостями наработки на отказ и времени простоя ЭТС от срока службы, позволяющие оценить показатели эксплуатационной надежности электротехнических систем карьерных экскаваторов.
2. Метод исследования, основанный на сравнительном анализе изотерм нагрева синхронных электродвигателей и электродвигателей копающих механизмов, позволяющий обосновать способы форсировки возбуждения, улучшающие режимы работы указанных электродвигателей в тяжелых условиях работы экскаватора.
3. Математическая модель сетевого синхронного электродвигателя карьерного экскаватора, позволяющая оценивать влияние пусковых режимов на срок службы изоляции СД, с учетом угла нагрузки и режима электропотребления СД при питании от карьерных сетей.
4. Математическая модель электропривода копающего механизма карьерного экскаватора, выполненного по системе ТВ-Г-Д, синтезирующая требуемую форму электромеханической экскаваторной характеристики по критерию температуры нагрева якоря.
5. Метод анализа тепловых режимов электроприводов копающих механизмов, отличающийся учетом формы их экскаваторной электромеханической характеристики, позволяющий устанавливать аналитические зависимости температуры якоря электродвигателя от параметров якорной цепи, момента инерции двигателя и условий охлаждения двигателя.
6. Метод оценки пожароопасности электротехнических систем, использующий диаграммы влияния типа «дерево происшествий», базирующийся на теории нечетких множеств и позволяющий обосновать новые способы трассировки кабельных сетей карьерных экскаваторов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью использованных теорий электропривода, автоматического управления, надежности и математической статистики; сравнением результатов аналитических исследований и компьютерного моделирования с представительными экспериментальными данными, достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми не превышает 10%.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- разработаны математические модели безотказности и ремонтопригодности электротехнических систем карьерных экскаваторов, представленных экспоненциальным законом распределения;
- установлены закономерности наработки на отказ и времени простоя ЭТС от срока службы экскаватора для оценки показателей эксплуатационной надежности электротехнических систем карьерных экскаваторов;
- разработан метод исследования, основанный на сравнительном анализе изотерм нагрева синхронных электродвигателей и электродвигателей копающих механизмов, позволяющий обосновать способы форсировки возбуждения указанных электродвигателей в тяжелых условиях работы экскаватора;
- установлены закономерности влияния пусковых процессов на срок службы изоляции сетевых СД карьерных экскаваторов и разработан алгоритм расчета срока службы изоляции для их анализа;
- разработана структурная схема электропривода копающего механизма карьерного экскаватора, выполненного по системе ТВ-Г-Д, синтезирующая требуемую форму электромеханической экскаваторной характеристики по критерию температуры нагрева якоря и предложен метод расчета его параметров;
- установлена зависимость температуры якоря электродвигателя копающего механизма от параметров якорной цепи, момента инерции двигателя и условий охлаждения двигателя;
- разработан метод анализа тепловых режимов электроприводов копающих механизмов с учётом формы их экскаваторной электромеханической характеристики;
- разработан метод оценки пожароопасности электротехнических систем карьерных экскаваторов, позволивший обосновать новый способ трассировки кабельных сетей карьерных экскаваторов.
Научное значение работы заключается в развитии теории анализа и синтеза функциональных свойств электротехнических систем карьерных экскаваторов, выразившейся в разработке методов и моделей безотказности и ремонтопригодности электротехнических систем карьерных экскаваторов, обеспечения «мягкого» режима работы сетевых СД, форсировки тока возбуждения электродвигателей подъема и напора, анализа тепловых режимов электроприводов копающих механизмов с учетом формы их экскаваторной электромеханической характеристики, оценки пожароопасности ЭТС, на основе которых получены формулы и зависимости для оценки показателей эксплуатационной надежности и пожароопасности электротехнических систем карьерных экскаваторов, износа изоляции СД, параметров системы управления электроприводов копающих механизмов, установлены закономерности оптимальных температурных режимов функционирования электродвигателей подъема и напора.
Практическое значение работы заключается в разработке:
- методики оптимизации формы электромеханической экскаваторной характеристики электропривода копающего механизма карьерного экскаватора;
- способа обеспечения «мягкого» режима работы сетевых синхронных электродвигателей на карьерных экскаваторах (патент РФ на изобретение № 2260242);
- способа форсировки тока возбуждения электродвигателей подъема и напора в тяжелых условиях работы карьерного экскаватора (патент РФ на изобретение № 2400008);
- способа трассировки кабельных сетей на карьерных экскаваторах (патент РФ № 2324790);
- устройства кабельного канала на карьерных экскаваторах под низковольтное комплектное устройство (НКУ) (патент РФ № 2268523);
- структуры электроприводов карьерного экскаватора с оптимизированной формой электромеханической экскаваторной характеристики электропривода.
Реализация результатов работы. Методика оптимизации формы электромеханической экскаваторной характеристики электроприводов карьерных экскаваторов, способ обеспечения «мягкого» режима работы сетевых синхронных электродвигателей на карьерных экскаваторах с НКУ Ш3801.У2 ОАО «Электросила», с НКУ ОАО «Электропривод» и блоками Б3801, на карьерных экскаваторах с системой МУ-Г-Д и станцией управления типа ПГА 4409-56В1, способ форсировки тока возбуждения электродвигателей подъема и напора в тяжелых условиях работы карьерного экскаватора, способ трассировки кабельной продукции на карьерных экскаваторах, устройство кабельного канала на карьерных экскаваторах под низковольтное комплектное устройство внедрены в ОАО «Лебединский горно-обогатительный комбинат» (г.Губкин, Белгородская обл.), ОАО «Стойленский горно-обогатительный комбинат» (г.Старый Оскол, Белгородская обл.), ОАО «Михайловский горно-обогатительный комбинат» (г.Железногорск, Курская обл.), ОАО «Рудоавтоматика» (г.Железногорск, Курская обл.), ОАО «Объединенные машиностроительные заводы» (г.Санкт-Петербург), АО «Костанайские минералы» (г.Житикара, Республика Казахстан).
Структура копающих электроприводов карьерного экскаватора с оптимизированной формой электромеханической экскаваторной характеристики электропривода, расчет коэффициентов усиления регуляторов, методики наладки внедрены в ОАО «Рудоавтоматика» (г.Железногорск, Курская обл.).
Практическим результатом работы, внедренным в учебный процесс, является применение ряда теоретических и методических положений диссертации в научно-исследовательских работах студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» Старооскольского технологического института (филиала) Федерального образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технический университет МИСиС». Работы студентов отмечены в региональных научно-технических конференциях, конкурсных работах «Молодёжь Белгородской области», награждены почетными грамотами, дипломами Губернатора Белгородской области и дипломами Минобрнауки России.
По результатам внедрения в промышленность научных разработок автор удостоен звания «Лауреат областного конкурса «Инженер года – 2008» в номинации «Электроснабжение, электрические сети и системы» в категории «Профессиональные инженеры». В 2009 году удостоен звания «Лауреат Всероссийского конкурса «Инженер года» в номинации «Электроснабжение, электрические сети и системы (программные средства)» по версии «Профессиональные инженеры».
Использование результатов исследований и разработок в проектной практике и промышленности подтверждено соответствующими документами, приводимыми в приложении к диссертации.
Личный вклад автора.
Разработка методологии исследования электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Анализ показателей надежности электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Теоретические и экспериментальные исследования эксплуатационной безопасности электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Теоретические и экспериментальные исследования электромеханических экскаваторных характеристик электроприводов и их влияние на эксплуатационные свойства ЭТС карьерных экскаваторов.
Теоретические и экспериментальные исследования эффективности работы сетевых синхронных электродвигателей (СД) на карьерных экскаваторах.
Разработка рекомендаций и технических решений по эффективному функционированию электротехнических систем карьерных экскаваторов.
Апробация работы. Основные положения и разделы диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре по проблемам экскаваторного электропривода постоянного тока на базе НКУ производства ОАО «Рудоавтоматика» (Железногорск, 2003); на научно-практическом семинаре кафедры АЭП МЭИ «Экскаваторный электропривод» (Москва, 2004); на региональной научной конференции «Образование, наука, производство и управление» (Старый Оскол, 2005); на научно-практическом семинаре по экскаваторному электроприводу (Железногорск, 2006); на научных симпозиумах «Неделя горняка – 2007, 2010, 2011» (Москва, 2007, 2010, 2011); на конференции «Перспективы создания и развития горной техники Корпорации ОМЗ» (Санкт-Петербург, 2007); на V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (Санкт-Петербург, 2007); на научных семинарах кафедры ЭЭГП МГГУ (Москва 2007 – 2011), на научно-технических конференциях ОАО «Лебединский ГОК» (Губкин, 2009, 2011), на Международной межотраслевой конференции по вопросам экскаваторной техники (Железногорск, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 печатных работ, в числе которых 17 трудов, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК России, получено 5 патентов на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 256 наименований и включает 172 рисунка, 35 таблиц и 16 приложений.
Автор выражает благодарность за помощь и консультации д.т.н., проф. Ляхомскому А.В., д.т.н., проф. Микитченко А.Я. и проф. Плащанскому Л.А.
