CONCEPT DEVELOPMENT AND PERFORMANCE CALCULATION OF ELECTROMAGNETIC DRIVE FEED BODY WORK OF DRILLING MACHINE
Шигин А.О.1, Гилев А.В.2, Шигина А.А.3
1Доцент, канд. техн. наук, Сибирский федеральный университет; 2Профессор, д-р техн. наук, Сибирский федеральный университет; 3Аспирант, Сибирский федеральный университет
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ОРГАНА БУРОВОГО СТАНКА
Аннотация
В статье рассмотрена – разработка и исследование адаптивного электромагнитного привода подачи рабочего органа бурового станка для открытых горных работ, а также представлена методика расчета его основных технических характеристик при проектировании на заданные параметры станка и его особенности работы.
Ключевые слова: адаптивный, система подачи, рабочий орган, методика, характеристики.
Shigin A.O.1, Gilev A.V.2, Shigina A.A.3
1Docent, candidate of technical sciences, Siberian federal university; 2Professor, doctor of technical sciences, Siberian federal university
2Postgraduate student, Siberian federal university
CONCEPT DEVELOPMENT AND PERFORMANCE CALCULATION OF ELECTROMAGNETIC DRIVE FEED BODY WORK OF DRILLING MACHINE
Abstract
In article it is considered the development and research of the adaptive electromagnetic drive of giving of working body of the drilling rig for open mining operations, and also the method of calculation of its main technical characteristics is presented at design on the set parameters of the machine and its feature of work.
Keywords: adaptive, giving system, working body, technique, characteristics
В исполнительных устройствах и механизмах возвратно-поступательного движения преимущественно применяются цилиндрические линейные электродвигатели, в основу конструкции которых положен модульный принцип [1]. Магнитопровод двигателя состоит из отдельных стальных шайб. Катушки обмотки наматывают на каркасы и помещают в пазы шайб магнитопровода. Образуются монтажные модули, из которых набирается индуктор двигателя [2]. Необходимый воздушный зазор между индуктором и вторичным элементом поддерживается с помощью подшипника скольжения запрессованного в торцевую крышку. Конструкция фиксируется кольцами.
Вторичный элемент цилиндрического электродвигателя выполняется в виде стержня или трубы с токопроводящим покрытием. Применение короткозамкнутого вторичного элемента повышает тягово энергетические показатели двигателя.
Внедрение линейных электродвигателей в различное технологическое оборудование сопровождается усовершенствованием существующих и разработкой новых конструкций этого типа электрических машин.
Механическая характеристика линейного асинхронного двигателя имеет вид зависимости усилия подачи от скорости перемещения F=f(v) ) схожий с механической характеристикой асинхронного двигателя вращательного действия [3].
Для расчета конструктивных параметров двигателя необходимо определить его предельные технологические характеристики. Основными характеристиками линейного двигателя является максимальное развиваемое усилие и минимальная скорость подачи рабочего органа.
Максимальное развиваемое усилие должно соответствовать уровню современной буровой техники [2].
Наибольшее применение для бурения взрывных скважин на карьерах нашли буровые станки типа СБШ-250. Привод подачи современных буровых станков СБШ-250 МНА-32 способен развивать усилие подачи до 340 кН. Однако реальные технические условия при бурении сложноструктурных, трещиноватых и абразивных горных массивов дают возможность бурить при усилии подачи рабочего органа немногим более 200 кН.
Минимальная линейная скорость двигателя в точке B должна соответствовать скорости подачи рабочего органа при бурении наиболее крепких пород с максимальным усилием подачи при условии рационального применения шарошечного бурения. Шарошечное бурение применяют при крепости пород до 14 по шкале Протодьяконова. В условиях Нефелинового рудника ОАО «РУСАЛ» шарошечное бурения применяется при крепости до 16 с пропластками до 18 по шкале Протодьяконова. Принимаем максимальнцую крепость породы при условии рационального применения шарошечного бурения 16 по шкале протодьяконова. В переводе на показатель буримости это значение приблизительно соответствует Пб ≈ 20
Скорость бурения можно найти из уравнения [4]
где Pос – осевое усилие, МН, nвр частота вращения бурового става, с-1, D1 – диаметр долота, м; Пб – показатель буримости.
При усилии подачи 300 кН, среднем значении частоты вращения бурового става 1,5 об/с, показателе буримости 20 и диаметре шарошечного долота 244,5 мм, скорость бурения составит приблизительно vбmin = 15,1 м/ч.
Экспериментальные исследования показали, что двигатель, мощностью 37,2 кВА, имеющий пар полюсов pст = 4, развивает скорость подачи при максимальном усилии vстmin = 17 см/с. При этом скорость бурения 15,1 м/ч соответствует значению vбmin 0,42 см/с. Таким образом скорость линейного двигателя необходимо уменьшить в vстmin/ vбmin = 17/0,42 = 40 раз.
При проектировании асинхронного электродвигателя уменьшить его рабочую скорость можно увеличив число пар полюсов [5, 6].
(1)
где v0 – скорость ротора линейного двигателя в холостом режиме; l – длина статора линейного двигателя, м; f – частота напряжения сети, Гц; p – число пар полюсов статора.
Таким образом, ориентировочное количество обмоток статора будет равно
, (2)
где pст – число пар полюсов двигателя исследовательского стенда, vстmin – скорость подачи при максимальном усилии двигателя исследовательского стенда, см/с; vбmin – скорость подачи рабочего органа при бурении наиболее крепких пород, см/с; i – количество обмоток, соответствующих одной паре полюсов, для трехфазного двигателя i = 3.
Линейный двигатель лабораторного стенда [6] при наличии ферромагнитного магнитопровода будет развивать максимальное усилие:
При увеличении числа пар полюсов изменяется также максимальное и номинальное усилие подачи линейного двигателя.
Электромагнитный момент асинхронной машины вращательного действия находится из следующего соотношения
(3)
где C – конструктивный коэффициент; Ф – результирующее магнитное поле в машине; I2 – ток в обмотке ротора; ψ – сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора; w2 и к2 – соответственно число витков и обмоточный коэффициент обмотки ротора.
Из выражения (3) видно, что электромагнитный момент асинхронной машины находится в прямой зависимости от числа пар полюсов. Таким образом для асинхронной машины можно записать выражение
(4)
С учетом выражения (4) линейный двигатель, мощностью 37,2 кВт, имеющий число пар полюсов 
, будет создавать максимальное усилие подачи:
.
Таким образом, расчетная мощность линейного асинхронного двигателя на рабочее напряжение 380 В механизма подачи бурового станка, создающего максимальное усилие Pподб.ст = 300 кН при минимальной рабочей скорости vбmin = 15,1 м/ч, составит:
. (5)
Полученная в выражении (5) мощность является активной. При проведении экспериментальных исследований было выяснено, что в случае применения ферромагнитного магнитопровода, величина тока с учетом индуктивного сопротивления оказывалась приблизительно в 2,5 раза ниже значения, рассчитанного через активное сопротивление.
В случае двигателя без ферромагнитного магнитопровода полная и активная мощности приблизительно равны, поскольку индуктивное сопротивление близко к нулю.
С учетом значительных и часто повторяющихся перегрузок при бурении сложноструктурных горных массивов, выражающихся в колебании величины тока в обмотках статора, принимаем ориентировочный коэффициент запаса мощности электромагнитного привода подачи kзап.мощ.= 2. Коэффициент запаса мощности электромагнитного привода подачи выражается в увеличении сечения провода обмоток двигателя.
Расчет обмоток двигателя на напряжение 380 В
Ориентировочная мощность одной кольцевой обмотки статора линейного двигателя, общей мощностью с учетом ориентировочного коэффициента запаса мощности 22 кВт, с рабочим напряжением 380 В и количеством обмоток nобм = 480, находится из следующего выражения
С учетом запаса мощности принимаем ориентировочный допустимый номинальный ток Iном = 3,5 А. Согласно каталогу стандартных намоточных проводов с допустимым номинальным током 3,6 А принимаем намоточный провод диаметром медной жилы 1,32 мм, площадью сечения медной жилы 1,362, сопротивлением одного метра провода, при 20 °С – 0,0129 Ом/м.
Для работы обмоток с допустимым значением номинального тока, их необходимо объединить в секции с последовательным соединением обмоток. Ориентировочное количество обмоток в секции из расчета на одну фазу находится из следующего выражения:
Из расчета на 3 фазы, ориентировочное количество обмоток одной секции составляет 
.
Отсюда ориентировочное количество секций двигателя:
Принимаем количество секций двигателя nсек.дв = 5. Тогда количество обмоток одной секции из расчета на 3 фазы составит:
.
Количество обмоток одной секции из расчета на 1 фазу составит:
.
Отсюда, мощность одной обмотки составит:
.
Тогда проектная мощность линейного асинхронного двигателя на рабочее напряжение 380 В механизма подачи бурового станка, создающего максимальное усилие Pподб.ст = 300 кН при минимальной рабочей скорости vбmin = 15,1 м/ч, с учетом коэффициента запаса мощности составит:
.
При этом коэффициент запаса мощности составит:
Поскольку схема соединения секций параллельная, необходимо увеличить сопротивление каждой секции в 5 раз. Таким образом, длину провода одной обмотки можно определить из следующего выражения:
.
Для рационального использования обмоточного провода двигатели большой мощности как правило запитывают от источников электропитания высокого напряжения.
Наиболее рационально использовать дизель-генератор с трехфазным номинальным линейным напряжением 660 В и фазным напряжением 380 В на необходимую мощность для работы всех двигателей бурового станка. Такой дизель-электрический агрегат позволит наиболее экономично эксплуатировать электрические машины большой мощности и при этом подключать менее мощные электродвигатели на напряжение 380 В. Данным требованиям удовлетворяет синхронный генератор СГД-85/36-4В с трехфазным номинальным линейным напряжением 660 В и фазным напряжением 380 В и номинальной активной мощностью 630 кВт.
Расчет обмоток двигателя на напряжение 660 В
При расчете двигателя на напряжение 660 В необходимо определить длину секции обмоток, включенных последовательно на данное напряжение и рассчитать количество секций.
Ориентировочная мощность одной кольцевой обмотки статора линейного двигателя, общей мощностью с учетом ориентировочного коэффициента запаса мощности 22 кВт, с рабочим напряжением 660 В и количеством обмоток nобм = 480, находится из следующего выражения
С учетом запаса мощности принимаем ориентировочный допустимый номинальный ток Iном = 3,5 А. Согласно каталогу стандартных намоточных проводов с допустимым номинальным током 3,6 А принимаем намоточный провод диаметром медной жилы 1,32 мм, площадью сечения медной жилы 1,362, сопротивлением одного метра провода, при 20 °С – 0,0129 Ом/м.
Для работы обмоток с допустимым значением номинального тока, их необходимо объединить в секции с последовательным соединением обмоток. Ориентировочное количество обмоток в секции из расчета на одну фазу находится из следующего выражения:
Из расчета на 3 фазы, ориентировочное количество обмоток одной секции составляет 
.
Отсюда ориентировочное количество секций двигателя:
.
Принимаем количество секций двигателя nсек.дв = 3. Тогда количество обмоток одной секции из расчета на 3 фазы составит:
.
Количество обмоток одной секции из расчета на 1 фазу составит:
.
Тогда уточненное количество обмоток двигателя
Отсюда, мощность одной обмотки составит:
.
Тогда проектная мощность линейного асинхронного двигателя на рабочее напряжение 660 В механизма подачи бурового станка, создающего максимальное усилие Pподб.ст = 300 кН при минимальной рабочей скорости vбmin = 15,1 м/ч (точка B, рис. 23), с учетом коэффициента запаса мощности составит:
.
При этом коэффициент запаса мощности составит:
Поскольку схема соединения секций параллельная, необходимо увеличить сопротивление каждой секции в 3 раза. Таким образом, длину провода одной обмотки можно определить из следующего выражения:
.
Внешний диаметр обмотки можно найти из выражения:
где Sпров – сечение медной жилы обмоточного провода, мм2; kзап – коэффициент заполнения обмотки с учетом изоляционных материалов; δ – размер обмотки вдоль оси бурового става, мм; Dвнут – внутренний диаметр обмотки, Dвнут = Dб.ст·2Δобм, где Dб.ст – диаметр бурового става, для СБШ-250 Dб.ст = 215 мм, Δобм – зазор между кольцевой обмоткой и стенкой бурового става, Δобм = 10 мм.
Таким образом, размер статора асинхронного линейного двигателя подачи рабочего органа бурового станка составит.
При этом основной задачей создания электромагнитного привода подачи бурового органа является своевременное реагирование на изменение свойств горной породы. Электромагнитный привод реагирует на увеличение или уменьшение показателя буримости соответственным изменением величины тока в обмотке статора. Т.е. точка рабочего режима двигателя будет перемещаться по механической характеристике. Время такой адаптивной реакции будет характеризоваться периодом переходных электромагнитных процессов, что равняется десятым долям секунды [8]. Изменение тока в обмотке двигателя должно быть учтено при проектировании электрической машины.
Кроме того, данный механизм подачи рабочего органа позволяет легко автоматизировать процесс в случае длительных перегрузок. Изменение тока будет фиксироваться напрямую с обмотки двигателя. В автоматическом режиме, согласно заложенной в контроллере функции, режим бурения будет изменен. Соответственно должны быть изменены усилие и скорость подачи, а также момент на валу вращательного механизма и скорость вращения бурового става. Регулировка режимов возможна тремя способами: 1) при помощи преобразователя частоты; 2) понижением напряжения – для экстренного снижения величины ударных нагрузок; 3) комплексное использование обоих способов для получения оптимальных режимов.
Выводы:
1. Применение адаптивного механизма подачи на основе линейного трехфазного асинхронного двигателя с массивным ротором возможно на базе существующих буровых станков, запитанных от трехфазной электрической сети;
2. Линейный трехфазный асинхронный двигатель с массивным ротором способен обеспечить требуемое усилие подачи с приемлемым значением потребляемой мощности;
3. Адаптивный привод подачи способен своевременно реагировать на резкие изменения свойств горных пород перемещением точки рабочего режима по механической характеристике асинхронной машины, при соответственном изменении величины тока в обмотке двигателя;
4. Применение в качестве системы подачи линейного электромагнитного двигателя позволяет получать информацию об изменениях физико-механических свойств породы, измеряя величину тока в обмотке двигателя;
5. В случае длительных перегрузок в автоматическом режиме, согласно заложенной в контроллере функции режим бурения может быть изменен.