Разработка структуры управления энергосберегающим электроприводом буровых станков типа СБШ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Хапаев, Ахмат Борисович

• Хапаев, Ахмат Борисович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хапаев, Ахмат Борисович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка структуры управления энергосберегающим электроприводом буровых станков типа СБШ»

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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Хапаев, Ахмат Борисович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хапаев, Ахмат Борисович, 2004 год

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.