Оптимизация работы очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом резания
Значительные запасы угля в Украине сосредоточены в тонких пологих пластах, мощностью до 1 метра. В этих условиях используются очистные комбайны, в основном, со шнековым исполнительным органом. Современные очистные комбайны обладают высокой энерговооруженностью и способны добывать уголь на больших ск...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2015
|
| Назва видання: | Геотехнічна механіка |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134261 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Оптимизация работы очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом резания / Н.И. Стадник, А.В. Ерёмин, Е.В. Тараш // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 122. — С. 238-252. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-134261 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1342612018-06-14T03:04:44Z Оптимизация работы очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом резания Стадник, Н.И. Ерѐмин, А.В. Тараш, Е.В. Значительные запасы угля в Украине сосредоточены в тонких пологих пластах, мощностью до 1 метра. В этих условиях используются очистные комбайны, в основном, со шнековым исполнительным органом. Современные очистные комбайны обладают высокой энерговооруженностью и способны добывать уголь на больших скоростях перемещения. При этом в условиях тонких пластов возникают проблемы с погрузкой шнеком отделенной горной массы. Повышение погрузочной способности комбайнов является актуальной задачей, одним из вариантов решения которой может быть регулирование скорости вращения шнека. Целью данной статьи является определение рациональных параметров работы комбайна, оснащенного частотно-регулируемым приводом резания, осуществляющего выемку тонких пластов, при изменении внешних условий. Приведены зависимости устойчивого момента и устойчивой мощности от частоты питающего напряжения. Определен диапазон регулирования частоты вращения шнека по критерию устойчивого момента. Рассмотрены режимы работы комбайна, при изменении сопротивляемости угля резанию, с использованием регулируемого привода резания и без него. Показаны преимущества регулируемого привода резания по сравнению с нерегулируемым. Составлен алгоритм функционирования системы, при изменении сопротивляемости резанию, с учетом применения частотно-регулируемых приводов резания и перемещения. Рассмотрено применение данного алгоритма на примере конкретной лавы. Предложенные решения позволяют определять оптимальные значения скорости перемещения комбайна и частоты вращения шнека, что способствует увеличению погрузочной способности шнека, а, следовательно, производительности комбайна, что особенно актуально для выемки тонких пластов. Суттєві запаси вугілля в Україні зосередженні у тонких пологих пластах, потужністю до 1 метра. У цих умовах використовуються очисні комбайни , в основному, із шнековим виконавчим органом. Сучасні очисні комбайни володіють високою енергоозброєністю та здатні добувати вугілля на великих швидкостях переміщення. При цьому в умовах тонких пластів виникають проблеми з навантаженням шнеком відокремленої гірничої маси. Підвищення навантажувальної здатності комбайнів є актуальним завданням, одним з варіантів рішення якого може бути регулювання швидкості обертання шнека. Метою даною статті є визначення раціональних параметрів роботи комбайна, оснащеного частотно-регульованим приводом різання, що здійснює виїмку тонких пластів, при зміні зовнішніх умов. Приведені залежності стійкого моменту та стійкої потужності від частоти напруги живлення Визначений діапазон регулювання частоти обертання шнеку за критерієм стійкого моменту. Розглянуті режими роботи комбайна, при зміні опірності вугілля різанню, із використанням регульованого приводу різання та без нього. Показані переваги регульованого приводу різання у порівнянні із нерегульованим. Складений алгоритм функціонування системи, при зміні опірності різанню, з урахуванням застосування частотно-регульвоаних приводів різання та переміщення. Розглянуто застосування даного алгоритму на прикладі конкретної лави. Запропонований алгоритм дозволяє визначити оптимальні значення швидкості переміщення комбайна та частоти обертання шнека, що сприяє збільшенню навантажувальної здатності шнека, а, отже, і продуктивності комбайн, що особливо актуально для виїмки тонких пластів. Considerable coal resources in Ukraine are concentrated in thin seams whose thickness is up to 1 meter. In these conditions, shearers, mainly drum shearers, are used. State-of-art shearers possess high power and can extract coal at high haulage velocities. In this case, there are problems with loading detached mining mass by auger in conditions of thin seams. Increase of shearer loading power is a live problem, and one of the solutions could be regulation of the auger rotation frequency. Purpose of the article is to determine rational operating parameters for the shearer equipped with variable-frequency cutting drive and extracting thin seams at changing external conditions. Dependence of stable torque and stable power on frequency of supply voltage is shown. Range of auger rotation frequency regulation is determined by criterion of the stable torque. Modes of the shearer operation are considered with and without variable-frequency cutting drive and at variable resistance to cutting. Advantages of variable-frequency cutting drive are proved. An algorithm is created for the system functioning at variable coal resistance to cutting with variable-frequency cutting and haulage drives. Employment of the algorithm is demonstrated on example of specific longwall. The proposed algorithm allows determining optimal values for the shearer haulage velocity and the auger rotation frequency. It contributes to increase of the auger loading power and, therefore, shearer efficiency that is especially actual for extraction of thin seams. 2015 Article Оптимизация работы очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом резания / Н.И. Стадник, А.В. Ерёмин, Е.В. Тараш // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 122. — С. 238-252. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134261 622.232.72.031.2 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Значительные запасы угля в Украине сосредоточены в тонких пологих пластах, мощностью до 1 метра. В этих условиях используются очистные комбайны, в основном, со шнековым исполнительным органом. Современные очистные комбайны обладают высокой энерговооруженностью и способны добывать уголь на больших скоростях перемещения. При этом в условиях тонких пластов возникают проблемы с погрузкой шнеком отделенной горной массы. Повышение погрузочной способности комбайнов является актуальной задачей, одним из вариантов решения которой может быть регулирование скорости вращения шнека. Целью данной статьи является определение рациональных параметров работы комбайна, оснащенного частотно-регулируемым приводом резания, осуществляющего выемку тонких пластов, при изменении внешних условий. Приведены зависимости устойчивого момента и устойчивой мощности от частоты питающего напряжения. Определен диапазон регулирования частоты вращения шнека по критерию устойчивого момента. Рассмотрены режимы работы комбайна, при изменении сопротивляемости угля резанию, с использованием регулируемого привода резания и без него. Показаны преимущества регулируемого привода резания по сравнению с нерегулируемым. Составлен алгоритм функционирования системы, при изменении сопротивляемости резанию, с учетом применения частотно-регулируемых приводов резания и перемещения. Рассмотрено применение данного алгоритма на примере конкретной лавы. Предложенные решения позволяют определять оптимальные значения скорости перемещения комбайна и частоты вращения шнека, что способствует увеличению погрузочной способности шнека, а, следовательно, производительности комбайна, что особенно актуально для выемки тонких пластов. |
| format |
Article |
| author |
Стадник, Н.И. Ерѐмин, А.В. Тараш, Е.В. |
| spellingShingle |
Стадник, Н.И. Ерѐмин, А.В. Тараш, Е.В. Оптимизация работы очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом резания Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Стадник, Н.И. Ерѐмин, А.В. Тараш, Е.В. |
| author_sort |
Стадник, Н.И. |
| title |
Оптимизация работы очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом резания |
| title_short |
Оптимизация работы очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом резания |
| title_full |
Оптимизация работы очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом резания |
| title_fullStr |
Оптимизация работы очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом резания |
| title_full_unstemmed |
Оптимизация работы очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом резания |
| title_sort |
оптимизация работы очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом резания |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2015 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134261 |
| citation_txt |
Оптимизация работы очистного комбайна с частотно-регулируемым приводом резания / Н.И. Стадник, А.В. Ерёмин, Е.В. Тараш // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць. — Дніпропетровск: ІГТМ НАНУ, 2015. — Вип. 122. — С. 238-252. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT stadnikni optimizaciârabotyočistnogokombajnasčastotnoreguliruemymprivodomrezaniâ AT ereminav optimizaciârabotyočistnogokombajnasčastotnoreguliruemymprivodomrezaniâ AT tarašev optimizaciârabotyočistnogokombajnasčastotnoreguliruemymprivodomrezaniâ |
| first_indexed |
2025-07-09T20:38:29Z |
| last_indexed |
2025-07-09T20:38:29Z |
| _version_ |
1837203205110366208 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 238
УДК622.232.72.031.2
Стадник Н.И., д-р техн. наук, профессор
Ерѐмин А.В., магистрант
Тараш Е.В., магистрант
(Донецкий национальный технический
университет, г. Красноармейск)
ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ОЧИСТНОГО КОМБАЙНА
С ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ РЕЗАНИЯ
Стаднік М.І., д-р техн. наук, профессор
Єрьомін А.В., магістрант
Тараш Є.В., магістрант
(Донецький національний технічний
університет, м. Красноармійськ)
ОПТИМІЗАЦІЯ РОБОТИ ОЧИСНОГО КОМБАЙНА З ЧАСТОТНО-
РЕГУЛЬОВАНИМ ПРИВОДОМ РІЗАННЯ
Stadnik N.I., D. Sc. (Tech.), Professor
Yeremin A.V., Candidate of Master’s Degree
Tarash Y.V., Candidate of Master’s Degree
(Donetsk National Technical
University, Krasnoarmeysk)
OPTIMIZED OPERATION OF A SHEARER WITH VARIABLE
FREQUENCY CUTTING DRIVE
Аннотация. Значительные запасы угля в Украине сосредоточены в тонких пологих пла-
стах, мощностью до 1 метра. В этих условиях используются очистные комбайны, в основ-
ном, со шнековым исполнительным органом. Современные очистные комбайны обладают
высокой энерговооруженностью и способны добывать уголь на больших скоростях переме-
щения. При этом в условиях тонких пластов возникают проблемы с погрузкой шнеком отде-
ленной горной массы. Повышение погрузочной способности комбайнов является актуальной
задачей, одним из вариантов решения которой может быть регулирование скорости враще-
ния шнека.
Целью данной статьи является определение рациональных параметров работы комбайна,
оснащенного частотно-регулируемым приводом резания, осуществляющего выемку тонких
пластов, при изменении внешних условий.
Приведены зависимости устойчивого момента и устойчивой мощности от частоты пита-
ющего напряжения. Определен диапазон регулирования частоты вращения шнека по крите-
рию устойчивого момента. Рассмотрены режимы работы комбайна, при изменении сопро-
тивляемости угля резанию, с использованием регулируемого привода резания и без него. По-
казаны преимущества регулируемого привода резания по сравнению с нерегулируемым. Со-
ставлен алгоритм функционирования системы, при изменении сопротивляемости резанию, с
учетом применения частотно-регулируемых приводов резания и перемещения. Рассмотрено
применение данного алгоритма на примере конкретной лавы.
© Н.И. Стадник, А.В. Еремин, Е.В. Тараш, 2015
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 239
Предложенные решения позволяют определять оптимальные значения скорости переме-
щения комбайна и частоты вращения шнека, что способствует увеличению погрузочной спо-
собности шнека, а, следовательно, производительности комбайна, что особенно актуально
для выемки тонких пластов.
Ключевые слова: угольный комбайн, частотно-регулируемый привод резания, устойчи-
вый момент, мощность, алгоритм регулирования.
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.
Как было показано в работах [1,5,6] при разработке тонких пластов суще-
ствует проблема с погрузкой отделенной горной массы шнековым исполни-
тельным органом очистного комбайна. Оптимизация погрузки угля является
необходимым шагом к повышению эффективности работы очистных комбай-
нов, в условиях тонких пластов. В данной статье рассматривается регулирова-
ние частоты вращения шнека.
Анализ исследований и публикаций.
В работе [1] проанализирована погрузочная способность шнека комбайнов
высокой энерговооруженностью в условиях тонких пластов; определена пре-
дельно возможная скорость перемещения комбайна по критериям погрузочной
способности шнека, мощностей резания и погрузки. В работах [5,6] разработа-
ны методики определения производительности шнека по погрузке; рациональ-
ных параметров шнека, решение выгрузки угля с помощью механо-
гидродинамических систем, обеспечивающих повышение погрузочной способ-
ности.
Способ оптимизации погрузки угля регулированием частоты вращения
шнека в научных публикациях детально не рассматривался.
Постановка задачи.
Целью работы является определение рациональных режимов работы, на
примере комбайна УКД400, работающего в условиях тонких пластов, установ-
ление критерия регулирования частот вращения шнека, составления алгоритма
действий, при изменении внешних условий.
Изложение материала и результаты
При использовании частотно-регулируемого привода шнека, существуют
ограничения диапазона регулирования частоты питающего тока по критерию
устойчивого момента двигателя, который определяется:
(1)
где Мк(α) – критический момент двигателя; α = f1 / f1ном – относительная частота
напряжения (тока) статора; f1 - частота напряжения (тока) статора; f1ном = 50 Гц.
Формула для определения критического момента асинхронного электродви-
гателя:
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 240
(2)
где U1нф – фактическое значение напряжения обмотки двигателя при f1ном = 50
Гц; m1=3 – число фаз статора; ω1ном – номинальное значение угловой частоты
вращения; γ = U1/U1нф – относительное напряжение на статоре; U1 – напряжение
на статоре; τ1 = x1/x0 – коэффициент рассеяния статора; τ2 = x
/
2/x0 – коэффициент
рассеяния ротора; τ = τ1+ τ2 + τ1 τ2 – общий коэффициент рассеяния; b=r1(1 +
τ2); c = x0τ; d = r1/x0; e = (1 + τ1) – коэффициенты, зависящие от параметров
схемы замещения; r1, x1 – активное и индуктивное сопротивление статора; x
/
2 –
приведенное индуктивное сопротивление ротора; x0 – реактивное сопротивле-
ние контура намагничивания.
Для электродвигателя ЭКВ4-200В (используемого в комбайне УКД400):
U1нф = 1140 В, ω1ном= 155 с
-1
, r1= 0,109 Ом, x1= 0,414 Ом, x2= 0,657 Ом, x0= 10,66
Ом.
Рисунок 1 – Схема замещения двигателя ЭКВ4-200В
Устойчивый момент электродвигателя должен быть не меньше номинально-
го, следовательно, диапазон допустимых значений частоты питающего тока и
частоты вращения шнека.
fmin=8,29 Гц, nmin= 9,8 об/мин fmax=63,66 Гц, nmax= 75,3 об/мин
Устойчивая мощность двигателя определяется формулой:
(3)
где – значение устойчивого момента; – значение частоты вращения
ротора двигателя, соответствующее устойчивому моменту.
Вычислим значения устойчивой мощности при частоте тока 8.29, 50 и 63.66
Гц и результаты сведем в таблицу 1.
Таблица 1 – Зависимость устойчивой мощности от частоты вращения ротора двигателя
nш, об/мин f, Гц nуст, об/мин Pуст, кВт
9,8 8,29 245 33,15
59,1 50 1477,5 317
75,3 63,66 1882,5 254,68
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 241
Убедимся в том, что в пределах данного диапазона, момент, развиваемый
приводом, не меньше необходимого.
Момент на шнеке, развиваемый приводом:
(4)
где Р – мощность привода резания; ω – угловая скорость шнека.
Необходимый момент на шнеке:
(5)
где Fu – суммарная сила резания на шнеке; Dи – диаметр шнека.
Результаты расчетов занесем в таблицу 2.
Таблица 2 – Соотношение моментов для различных значений сопротивляемости резанию
А, Н/мм – сопротивляемость
резанию
120 240 360
, Нм 32300 32300 32300
Dи, м 1 1 1
Fu, Н 11747 27994 42300
Мкр, Нм 5873,5 13997 21150
Соотношение М и Мкр М>Мкр М>Мкр М>Мкр
Следовательно, для данного диапазона частот тока момент, развиваемый
приводом, больше необходимого.
На рис. 2 и 3 приведены зависимости:
Рсум – суммарная мощность привода резания;
Ррез – мощность резания;
Рпогр – мощность погрузки;
Руст – устойчивая мощность;
Муст – устойчивый момент;
МК – критический момент;
Мном – номинальный момент.
Пояснения индексов данных величин указаны ниже по тексту.
На рис. 2 и 3 приведены кривые для следующих условий: мощность пласта –
0,85 м, диаметр шнека – 0,8 м, угол наклона пласта – 35˚, уголь вязкий. Эти
сложные условия являются характерными для угольных месторождений Укра-
ины, в частности Донбасса.
Расчеты выполнены в соответствии с [3] и в статье не приводятся.
С учетом сказанного и характеристик, представленных на рис.2 и 3 рассмот-
рим режимы работы комбайна и варианты их оптимизации.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 242
Рисунок 2 – Статические характеристики работы очистного комбайна с
частотно-регулируемым приводом резания и перемещения, при увеличении
сопротивляемости угля резанию
Рисунок 3 – Статические характеристики работы очистного комбайна с
частотно-регулируемым приводом резания и перемещения, при уменьшении
сопротивляемости угля резанию
Пусть изначально комбайн работал в режиме А, который характеризуется
параметрами V1 и n1. Графически параметры определяются следующим обра-
зом: проецированием точки пересечения кривой суммарной мощности Рсум1 и
прямой устойчивой мощности Руст1 на ось V определяется максимальная ско-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 243
рость перемещения для данного режима V1; проецированием точки пересечения
прямой устойчивой мощности Руст1 и кривой зависимости устойчивой мощно-
сти от скорости вращения шнека Руст на ось n определяется скорость вращения
шнека. Для данного режима составляющими суммарной мощности являются
мощность резания Ррез1 и мощность погрузки Рпогр1.
Предположим, что в процессе разрушения угольного массива комбайном
произошло увеличение сопротивляемости резанию. На рис.2 это отражено из-
менением кривой мощности резания, которая теперь примет вид Ррез2, что по-
влечет изменение кривой суммарной мощности с Рсум1 на . Продолжение
работы комбайна с прежними параметрами движения невозможно, вследствие
превышения суммарной мощности в точке А1 над величиной устойчивой мощ-
ности Руст1.
Дальнейшие действия, согласно применяемому в настоящее время алгорит-
му, предполагают снижение скорости перемещения до . В дальнейшем ком-
байн продолжает работу в режиме Б с параметрами и n1, которые графиче-
ски определяются аналогично параметрам режима А. Для данного режима со-
ставляющими суммарной мощности являются мощность резания Ррез2 и мощ-
ность погрузки Рпогр1.
При внедрении регулируемого привода резания появляется возможность
других действий в данной ситуации:
Вариант 1 – При увеличении сопротивляемости резанию, согласно выбран-
ному критерию определения рациональных параметров движения происходит
переход от значения скорости вращения шнека n1 до значения n2. Кривая мощ-
ности погрузки примет вид Рпогр2, а кривая суммарной мощности – . При
увеличении скорости вращения шнека, увеличивается величина устойчивой
мощности привода резания до величины Руст2. Таким образом, режим работы В
будет определятся пересечением кривой суммарной мощности и прямой
устойчивой мощности Руст2 (а не Руст1, как это было с нерегулируемым приво-
дом). Параметрами движения для режима В являются и n2. А составляющи-
ми суммарной мощности – мощность резания Ррез2 и мощность погрузки Рпогр2.
Это позволит получить более высокие значения скорости перемещения по
сравнению с действующим в настоящее время алгоритмом и, как следствие, по-
вышенные значения производительности.
Вариант 2 – Аналогично используемому в настоящее время алгоритму, при
увеличении сопротивляемости резанию, осуществляется снижение скорости
перемещения до . При этом происходит снижение мощности погрузки на ве-
личину ΔPпогр. При работе комбайна с параметрами и n1 имеет место избы-
точная погрузочная способность шнека. Для ее устранения можно понизить ча-
стоту вращения шнека до n3, что повлечет за собой снижение мощности по-
грузки, которая примет вид Рпогр3. Режим комбайна Б1 будет определяться пере-
сечением кривой суммарной мощности и прямой устойчивой мощности
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 244
Руст3. Данные действие позволят повысить скорость перемещения до и сни-
зить энергопотребление.
В случае уменьшения сопротивляемости резанию, происходит уменьшение
мощности резания, что предоставляет возможность увеличения скорости пере-
мещения (рис.3).
Предположим, что комбайн работал в режиме А с параметрами V1 и n1 и в
процессе работы произошло снижение сопротивляемости резанию. В таком
случае кривая мощности резания примет вид Ррез2, а кривая суммарной мощно-
сти – . Продолжение работы в точке А1 с той же скорость нерационально,
следовательно, необходимо увеличить скорость перемещения до и перевести
комбайн в режим Б ( , n1). В этом и заключается алгоритм действий, который
используется в системах управления современных комбайнах.
Однако, увеличение скорости перемещения, при прежнем значении частоты
вращения шнека, влечет за собой недостаток погрузочной способности шнека
и, как следствие, увеличение мощности погрузки. При повышении скорости
вращения шнека до n2, возникает возможность увеличения скорости перемеще-
ния до . Комбайн в таком случае продолжит работу в режиме В с повышен-
ным значением производительности.
Исходя из рис.2 и 3, регулирование частоты вращения шнека позволяет сни-
зить значение мощности погрузки, а, следовательно, и значение удельных энер-
гозатрат на добычу угля.
Таким образом, отличительными особенностями регулируемого привода ре-
зания являются:
- возможность оптимизации соотношения мощностей резания и погрузки;
- возможность увеличения максимальной скорости перемещения комбайна;
- возможность снижения энергопотребления;
- сравнение суммарной мощности с изменяющимся в зависимости от ча-
стоты тока значением устойчивой мощности.
Рассмотрим алгоритм действий, при изменении сопротивляемости угля ре-
занию, с учетом применения частотно-регулируемых приводов резания и пере-
мещения.
1) Ввод исходных данных (фигура 1 на рис.5).
Задание следующих параметров:
- распределение сопротивляемости угля резанию (An) вдоль лавы;
- мощность пласта (H);
- угол работы комбайна (α).
К данному этапу также относится внесение в память системы управления
кривых резания, погрузки, устойчивого момента, устойчивой мощности, опти-
мальных значений скорости подачи и частоты вращения шнека и временных
диаграмм для условий данного очистного забоя.
Регулируемый привод резания позволяет реализовать системы управления,
реализующие различные критерии оптимизации режимов работы очистных
комбайнов. К таковым относятся: максимальная производительность, макси-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 245
мальное отношение мощности резания к мощности погрузки, минимальное
значение удельных энергозатрат и др.
Рассмотрим работу комбайна при реализации режима: «максимальная про-
изводительность».
При неизменных значениях мощности пласта, ширины захвата и плотности
угля, производительность комбайна примет максимальное значение, при
наибольшей скорости перемещения.
На рис.4 представлен цикл определения оптимальных значений параметров
движения комбайна. Он заключается в вычислении наиболее рациональных
значений скорости перемещения (V) и частоты вращения шнека (n) для каждого
значения сопротивляемости резанию (A). Данный процесс выглядит следую-
щим образом: для всех значений n в пределах от nнач до nкон, которые были
определены выше по критерию устойчивого момента, определяется V и сравни-
вается с максимальным значением Vmax (для первого шага цикла сравнение от-
сутствует и вычисленное V принимается за максимальное). Если Vmax< V, то
Vmax принимается равным вычисленному V и в дальнейших шагах цикла срав-
нение происходит уже с новым значением Vmax. Если же Vmax>V, то значение
Vmax остается прежним. По окончанию вычислений в указанном диапазоне n,
осуществляется запись наибольшего значения V и соответствующего ему зна-
чения n и происходит переход к следующему значению A и цикл повторяется в
пределах от Анач до Акон. После завершения вычислений для всех А происходит
выход из цикла и выполняется переход к следующему этапу алгоритма – опре-
деление временных диаграмм скорости перемещения и частоты вращения шне-
ка.
Рисунок 4 – Цикл определения оптимальных значений скорости перемещения частоты
вращения шнека по критерию максимальной производительности
Определение рациональных значений скорости подачи и частоты вращения
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 246
шнека по критериям «максимальное отношение мощности резания к мощности
погрузки» и «минимальное значение удельных энергозатрат» является направ-
лением дальнейших исследований.
Временные диаграммы изменения скорости перемещения и частоты враще-
ния шнека определяются исходя из заданных начальных и конечных значений
скорости и частоты соответственно, а также указанного расстояния, за время
прохождения которого необходимо изменить параметры движения.
Кроме того, при построении данных диаграмм, необходимо учитывать мак-
симальные значения ускорения комбайна и углового ускорения шнека.
2) Сравнение действующего значения мощности привода резания Pi с
предыдущим значением Pi-1, измеренным ранее (фигуры 2 и 3 на рис.5).
Для этого необходимо производить измерение мощности привода резания с
определенным интервалом, равным периоду оборота шнека, на всем протяже-
нии работы комбайна.
В случае если действующее значение отклонилось от значения, измеренного
в течение предыдущего периода оборота шнека, происходит выполнение сле-
дующего этапа алгоритма. Если нет, то нет необходимости его использования,
и комбайн продолжает работать в прежнем режиме.
3) Определение составляющих суммарной мощности на резание и погрузку
по кривым, внесенным в память системы управления на первом этапе алгорит-
ма (фигура 4 на рис.5).
4) Для необходимых значений сопротивляемости резанию, заданных в каче-
стве начальных условий, выбираются хранящиеся в памяти оптимальные зна-
чения частоты вращения шнека и скорости перемещения комбайна (фигура 5 на
рис.5).
5) Необходимо удостоверится, что на заданном расстоянии с учетом началь-
ных и выбранных оптимальных значений скорости перемещения и частоты
вращения шнека, комбайн перейдет на новый режим работы (фигуры 6 и 7 на
рис.5).
Если > , то происходит выполнение следующего этапа алгоритма. Если
наоборот, то на данном участке лавы нецелесообразно изменять параметр дви-
жения комбайна согласно алгоритму, в связи с тем, что комбайн не успеет отре-
агировать и перейдет на новый режим позже требуемого. Поэтому, при про-
хождении такого участка, необходимо оставить прежние значения скорости пе-
ремещения и частоты вращения шнека и перейти к проверке данного условия
на следующем участке изменения сопротивляемости резанию.
6) Для указанного расстояния, за время прохождения которого необходимо
изменить параметры движения, а также используя начальные и конечные пара-
метры, выбираются временные диаграммы изменения скорости перемещения и
частоты вращения шнека, хранящиеся в памяти компьютера (фигура 8 на
рис.5).
7) Задание комбайну выбранных значений скорости перемещения и частоты
вращения шнека, а также зависимостей последних от времени (фиг. 9 на рис.5).
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 247
Рисунок 5 – Блок-схема алгоритма
Математическая модель алгоритма:
(6)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 248
где n – частота вращения шнека; f – частота тока; p – число пар полюсов; s –
скольжение; V – скорость перемещения; – суммарная мощность;; – КПД
редуктора резания; – суммарная сила резания на шнеке; Q – теоретическая
производительность; H – мощность пласта; В – ширина захвата; – плотность
угля; – максимальное ускорение комбайна; – сила тяги; – масса
комбайна; – угол работы комбайна; – максимальное угловое ускорение
шнека; – момент на шнеке; – диаметр шнека; – момент инерции шнека;
– устойчивый момент; – критический момент; – коэффициент вариа-
ции; – устойчивая мощность; – значение частоты вращения ротора дви-
гателя, соответствующее устойчивому моменту; – мощность резания; –
мощность погрузки; – сила сопротивления погрузки материала; – ми-
нимально необходимое расстояние, для переключения комбайна; V, – конеч-
ные значения скорости перемещения комбайна и угловой скорости шнека соот-
ветственно; V, – начальные значения скорости перемещения комбайна и уг-
ловой скорости шнека соответственно.
Рассмотрим данный алгоритм на примере лавы, длинной L=250 м; угол па-
дения пласта α= 15˚; мощность пласта H = 0,85 м; движение комбайна вверх по
лаве.
Для этих условий выполнен анализ, результаты которого приведены на рис.
6.
Рисунок 6 – Изменение скорости перемещения и частоты вращения шнека на заданном
участке лавы
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 249
Исходя из рис.6 на участках лавы с сопротивляемостью резанию 120, 130 и
140 Н/мм наибольшая скорость перемещения согласно алгоритму достигается
при частоте вращения шнека 75 об/мин. А при сопротивляемости 225 Н/мм – 60
об/мин.
Для оценки эффективности предложенного алгоритма, сравним производи-
тельность и количество времени, затраченного на добычу угля в заданных
условиях, при использовании регулируемого привода резания и без него.
Значения теоретической производительности для двух вариантов определя-
ется расчетным путем (из уравнения в формуле 6). Время вычисляется исходя
из длины участка лавы и соответствующей ему скорости, при работе комбайна
с использованием регулируемого привода резания и без него. Расчеты в статье
не приводятся.
Результаты показаны на рис.7.
Рисунок 7 – Зависимость теоретической производительности и затраченного времени от
участков лавы с различной сопротивляемость резанию при использовании регулируемого
привода резания и без него
Определим математическое ожидание скорости перемещение и среднеквад-
ратическое отклонение с использованием регулируемого привода резания и без
него.
Математическое ожидание:
(7)
где – i-ый элемент выборки; – вероятность.
Среднеквадратическое отклонение:
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 250
(8)
Для нерегулируемого привода резания: , .
Для регулируемого привода резания: , .
Таким образом, применение регулируемого привода резания, для данного
примера, привело к увеличению скорости перемещения комбайна, а, следова-
тельно, и производительности на 2,8 %.
Выводы и направления дальнейших исследований
Проведенными исследованиями установлено, что диапазон регулирования
скорости вращения шнека по критерию устойчивого момента составляет – от
9,8 до 75,3 об/мин (от 8,29 до 63,66 Гц). Определена зависимость устойчивой
мощности привода резания от частоты тока. Построены кривые статических ха-
рактеристик работы комбайна с использованием регулируемого привода и без
него, при изменении сопротивляемости угля резанию. Разработан алгоритм
определения рационального режима работы комбайна, при изменении внешних
условий, с учетом применения частотно-регулируемых приводов резания и пе-
ремещения. В качестве критерия определения рациональных параметров рабо-
ты комбайна рассмотрен вариант - «максимальная производительность». При-
веден пример его использования и оценен эффект, который составил 2,8% в
сравнении с вариантом нерегулируемого привода резания. В дальнейшем про-
должение работы предполагается в направлении изучения иных критериев
определения оптимальных параметров движения комбайна и анализа компоно-
вочных схем комбайна с учетом регулируемого привода резания.
__________________________________________
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стадник, Н.И. Анализ и оптимизация погрузки угля шнеками комбайнов с высокой энергово-
оруженностью в условиях тонких пластов / Н.И. Стадник, А.В. Ерѐмин, Е.В. Тараш. // Наукові праці
Донецького нац. техн. ун-ту. Серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк, 2014. - Вип.1 (27). - С. 212-
224.
2. Устойчивый момент и диапазон частотного регулирования двухдвигательного привода меха-
низма перемещения очистного комбайна / В.П. Кондрахин, В.В. Косарев, Н.И. Стадник, А.В. Мезни-
ков // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк, 2010. -
Вип.18 (172). - С. 77-89.
3. Комбайны очистные. Методика выбора параметров и расчета сил резания и подачи на испол-
нительных органах: КД 12.10.040-99 / С.П. Грекова, В.А. Дейниченко [и др.]. – Донецк: Донгипроуг-
лемаш, 1999. – 75 с.
4. Бубликов А. В. Управление угольным комбайном по критерию минимальных удельных энер-
гозатрат / А. В. Бубликов // Вісник Приазовського державного технічного університету. - 2008. - №
18(2). - С. 88-91.
5. Бойко М.Г. Навантаження вугілля очисними комбайнами. / М.Г. Бойко – Донецьк: РВА
ДонНТУ, 2002. – 157 с.
6. Нечепаєв В.Г. Механо-гідродинамічні шнекові системи вивантаження і транспортування. / В.Г.
Нечепаєв. - Донецьк: ДонНТУ, 2005. - 215 с.
7. Стадник Н.И. Идентификация процесса заштыбовки шнека добычных комбайнов на тонких
пластах сложного строения. / Н.И. Стадник, А.В. Бубликов // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-
ту. Серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк, 2013. - Вип. 1 (25). - С. 161-174.
8. Бубликов А.В. Определение заштыбовки шнекового исполнительного органа малого диаметра
добычного комбайна на основе статистического анализа мгновенных значений нагрузки на валу элек-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 251
тродвигателя привода резания / В. В. Ткачев, А. В. Бубликов // Академический вестник Криворож-
ского территориального отделения Международной Академии компьютерных наук и систем. – 2007.
– № 20. – С. 40-46.
9. Бубліков А.В. Автоматизація процесу управління видобувними комбайнами на основі моделю-
вання роботи шнека: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 05.13.07 «Авто-
матизація процесів керування» / А.В. Бубліков. – Дніпропетровськ, 2010. – 20 с.
10. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов: Учебник для вузов/ Малеев
Г.В., Гуляев В.Г., Бойко Н.Г. [и др.] – М.: Недра, 1988. – 368 с.
REFERENCES
1. Stadnik, N.I., Eremin, A.V. and Tarash, E.V. (2014) ―Analysis and optimization of coal loading by
augers of shearers with high in-stalled power in conditions of thin coal beds‖, Naukovi pratsi Donetskogo
natsionalnogo tekhnichnogo universytetu. Seriya: «Girnycho-elektromekhanichna», vol. 1 (27), pp. 212-224.
2. Kondrakhin, V.P, Kosarev, V.V., Stadnik, N.I. and Meznikov, A.V. (2010), ―Stable torque and a fre-
quency regulation range of twin-engine drive of shearer motion mechanism‖, Naukovi pratsi Donetskogo
natsionalnogo tekhnichnogo universytetu. Seriya: «Girnycho-elektromekhanichna», vol. 18 (172), pp. 77-89.
3. Ukraine Ministry of Coal Industry (1999), 12.10.040-99. Kombayny ochistnye. Metodika vybora par-
ametrov i rascheta sil rezaniya i podachi na ispolnitelnykh organakh [12.10.040-99. Shearers. The technique
of parameter selection and calculation of cutting and haulage forces applied to executive elements], Dong-
iprouglemash, Donetsk, Ukraine.
4. Bublikov, A.V. (2008) ―Shearer operation by the criterion of minimal specific energy consumption‖,
Visnyk Pryazovskogo derzhavnogo tekhnichnogo universytetu, vol. 18, no. 2, pp. 88-91.
5. Boyko, M.G. (2002), Navantazhennia vugillia ochysnymy kombaynamy [Coal loading with shearers],
RVA DonNTU, Donetsk, Ukraine.
6. Nechepaev, V.G. (2005), Mekhano-gidrodynamichni shnekovi systemy vyvantazhennia i transportu-
vannia [Mechanical and hydrodynamic auger systems of unloading and conveyance], DonNTU, Donetsk,
Ukraine.
7. Stadnik, N.I. and Bublikov, A.V. (2013), ―The identification of gumming process of shearer auger in
thin seams of complex structure‖, Naukovi pratsi Donetskogo natsionalnogo tekhnichnogo universytetu. Ser-
iya: «Girnycho-elektromekhanichna», vol. 1(25), pp.161-174.
8. Bublikov, A.V. (2007) ―Determination of shearer small diameter auger gumming based on static
analysis of instantaneous value of load on the cutting drive electric motor shaft‖, Akademicheskiy vesnik Kri-
vorozhskogo teritorialnogo otdeleniya Mezhdunarodnoy Akademii kompyutornykh nauk i sitem, vol. 20, pp.
40-46.
9. Bublikov, A.V. (2010), ―Automation of control process by shearer loaders on the basis of modeling of
auger work‖, Absract of D.Sc. dissertation, Automation of control processes, National Mining University,
Dnipropetrovsk, Ukraine.
10. Maleev, G.V., Gulyaev, V.G. and Boyko N.G. (1988), Proektirovaniye i konstruirovaniye gornykh
mashin i kompleksov: Uchhebnik dlia vuzov [Designing of mining machines and complexes], Nedra, Mos-
cow, USSR.
________________________________________
Об авторах
Стадник Николай Иванович, доктор технических наук, профессор, Донецкий национальный
технический университет, Красноармейск, Украина, stadnik1948@gmail.com
Ерѐмин Антон Витальевич, магистрант, Донецкий национальный технический университет,
Краснармейск, Украина, eremin_anton1@hotmail.com
Тараш Елизавета Вадимовна, магистрант, Донецкий национальный технический университет,
Краснармейск, Украина, liza-tarash@yandex.ua
About the authors
Stadnik Nikolay Ivanovich, Doctor of Technical Sciences (D. Sc.), Professor, Donetsk National Tech-
nical University, Krasnoarmeysk, Ukraine, stadnik1948@gmail.com
Yeremin Anton Vitalyevich, Master of Science, Candidate of Master’s Degree, Donetsk National Tech-
nical University, Krasnoarmeysk, Ukraine, eremin_anton1@hotmail.com
Tarash Yelizaveta Vadimovna, Master of Science, Candidate of Master’s Degree, Donetsk National
Technical University, Krasnoarmeysk, Ukraine, liza-tarash@yandex.ua
_____________________________
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2015. №122 252
Анотація. Суттєві запаси вугілля в Україні зосередженні у тонких пологих пластах, по-
тужністю до 1 метра. У цих умовах використовуються очисні комбайни , в основному, із
шнековим виконавчим органом. Сучасні очисні комбайни володіють високою енергоозброє-
ністю та здатні добувати вугілля на великих швидкостях переміщення. При цьому в умовах
тонких пластів виникають проблеми з навантаженням шнеком відокремленої гірничої маси.
Підвищення навантажувальної здатності комбайнів є актуальним завданням, одним з варіан-
тів рішення якого може бути регулювання швидкості обертання шнека.
Метою даною статті є визначення раціональних параметрів роботи комбайна, оснащено-
го частотно-регульованим приводом різання, що здійснює виїмку тонких пластів, при зміні
зовнішніх умов.
Приведені залежності стійкого моменту та стійкої потужності від частоти напруги жив-
лення Визначений діапазон регулювання частоти обертання шнеку за критерієм стійкого мо-
менту. Розглянуті режими роботи комбайна, при зміні опірності вугілля різанню, із викорис-
танням регульованого приводу різання та без нього. Показані переваги регульованого приво-
ду різання у порівнянні із нерегульованим. Складений алгоритм функціонування системи,
при зміні опірності різанню, з урахуванням застосування частотно-регульвоаних приводів
різання та переміщення. Розглянуто застосування даного алгоритму на прикладі конкретної
лави.
Запропонований алгоритм дозволяє визначити оптимальні значення швидкості перемі-
щення комбайна та частоти обертання шнека, що сприяє збільшенню навантажувальної здат-
ності шнека, а, отже, і продуктивності комбайн, що особливо актуально для виїмки тонких
пластів.
Ключові слова: вугільний комбайн, частотно-регульований привод різання, стійкий мо-
мент, потужність, алгоритм регулювання.
Abstract. Considerable coal resources in Ukraine are concentrated in thin seams whose thick-
ness is up to 1 meter. In these conditions, shearers, mainly drum shearers, are used. State-of-art
shearers possess high power and can extract coal at high haulage velocities. In this case, there are
problems with loading detached mining mass by auger in conditions of thin seams. Increase of
shearer loading power is a live problem, and one of the solutions could be regulation of the auger
rotation frequency.
Purpose of the article is to determine rational operating parameters for the shearer equipped
with variable-frequency cutting drive and extracting thin seams at changing external conditions.
Dependence of stable torque and stable power on frequency of supply voltage is shown. Range
of auger rotation frequency regulation is determined by criterion of the stable torque. Modes of the
shearer operation are considered with and without variable-frequency cutting drive and at variable
resistance to cutting. Advantages of variable-frequency cutting drive are proved. An algorithm is
created for the system functioning at variable coal resistance to cutting with variable-frequency cut-
ting and haulage drives. Employment of the algorithm is demonstrated on example of specific
longwall.
The proposed algorithm allows determining optimal values for the shearer haulage velocity and
the auger rotation frequency. It contributes to increase of the auger loading power and, therefore,
shearer efficiency that is especially actual for extraction of thin seams.
Keywords: coal shearer, variable-frequency drive, stable torque, power, regulation algorithm.
Статья поступила в редакцию 10.03.2015
Рекомендовано к публикации д-ром техн. наук В.Г. Шевченко
|