Информационно-измерительная система параметров вибраций бурового става

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИЙ БУРОВОГО СТАВА

установка буровой модернизированный электропривод

ХИЛОВ В.С.

The article is devote the solving a scientific - applied problem of development the theory of work the automated electric drives with the purpose of creation drive systems for modernized boring rig. The solving of this problem is performed by an experimental research of drive systems direct and alternating current dynamic operating modes, creation of mathematical models that adequately reflect material processes in drilling operations

Мировая потребность и цены на железорудное сырье ежегодно возрастают. Это связано с возрастающим дефицитом руды на мировом рынке, который, по прогнозам специалистов, стабилизируется, начиная лишь с 2010-2011 годов [1-6]. Мировые запасы железной руды оцениваются в 213,42 млрд. т и сосредоточены в двенадцати странах, среди которых находится Украина. Суммарная часть этих стран в мировых подтвержденных запасах составляет 79,7% (170,1 млд т). Основной объем производства железорудного сырья (92,2% мировой товарной продукции) также приходится на эти 12 стран. По подтвержденным данным, Украина обладает стратегическими запасами железной руды и занимает на мировом рынке третье место после Австралии и Российской Ферации. Это предопределяет необходимость развития экономически оправданных способов разработки рудных месторождений.

На карьерах Украины находятся порядка 120 станков, из которых 90 эксплуатируются на ГОКах Криворожья. В основном это станки среднего типа СБШ-250МН-32 производства Воронежского завода Рудгормаш Российской Федерации с тиристорным приводом постоянного тока в механизме вращения става и нерегулируемыми асинхронными приводами спуско-подъемных операций, компрессора и передвижения.

Украинскими машиностроительными заводами созданы станки УСБШ-250А (разработчик КЗГМ, г. Кривой Рог, находится в эксплуатации на Полтавском ГОКе с 2004 г. с аналогичными приводными системами станка СБШ-250МН-32); СБШ-250/270-32 (разработчик НКМЗ, г. Краматорск, эксплуатировался на Ингулецком ГОКе 1999-2000 г.г. с тиристорным приводом постоянного тока в механизме вращения става, гидравлическими приводами передвижения и спуско-подъемных операций); принципиально новые станки СБШС-250Н (разработчик НКМЗ, эксплуатируется на Центральном ГОК с 2003 г. с транзисторными приводами переменного тока в механизме вращения става, спуско-подъемных операций и передвижения, внедренные в соответствии с рекомендациями НГУ.

Наряду с разработкой новых, модернизируются и находящиеся в эксплуатации станки СБШ-250МН-32, которые отработали 1,5-2 нормативных срока. В этой связи Институтом электроэнергетики Национального горного университета и фирмой «ОРКИС» проведены научно-технические проработки, направленные на внедрение энерго- и ресурсосберегающих приводных систем для буровых станков.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Основу горно-металлургического комплекса Украины составляют предприятия по добыче и переработке железных руд, 77% производственных мощностей которых сконцентрировано в Криворожском бассейне Днепропетровской области. Это пять из семи горно-обогатительных комбинатов Украины, которые добывают магнетитовые кварциты, обогащая содержание железа до 65%.

В общей технологии открытых горных работ бурение взрывных скважин является самым трудоемким и дорогостоящим процессом. Стоимость буровых работ на карьерах Криворожского бассейна достигает 36% общих затрат на производство работ по крепким скальным породам. Устойчивый рост цен на энергоносители и электроэнергию ставит актуальной задачу по применению энерго- и ресурсосберегащих технологий при добыче горных пород на карьерах Украины.

Эффективность бурения взрывных скважин шарошечным способом во многом определяется уровнем совершенства систем электропривода. Сейчас на рынке доступен класс общепромышленных приводных систем с регулируемыми асинхронными двигателями и автономными инверторами напряжения с полностью управляемыми IGBT ключами. Это позволяет применить наиболее экономически и технически оправданные на сегодняшний день приводные системы и для станков шарошечного бурения.

В настоящее время для вновь разрабатываемых и существующих типов буровых станков вопросы взаимного влияния автоматизированных электроприводов переменного тока и трансмиссии станка изучены не в полном объеме, что позволяет сформулировать новые научно-прикладные задачи, от решения которых зависит эффективность работы бурового станка в целом. Поэтому существующая проблема по созданию научных основ, направленных на разработку объектно-ориентированных приводных систем для карьерных станков шарошечного бурения взрывных скважин, не только теоретически актуальна, но имеет и существенную практическую значимость.

ЦЕЛЬ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ

Цель исследований. Сопоставительное исследование динамических и статических характеристик приводов вращения карьерных буровых станков.

Объект исследований. Исследованию подвергались:

штатная приводная система постоянного тока установленная на станках СБШ-250МН-32 (станок №1);

нештатная приводная система переменного тока с тиристорным регулируемым источником тока производства ХЭМЗ, установленная в результате модернизации станка СБШ-250МН-32 (станок №7);

нештатная приводная система переменного тока с транзисторным регулируемым источником напряжения фирмы OMRON, установленная в результате модернизации станка СБШ-250МН-32 (станок №5);

штатная приводная система переменного тока с регулируемым источником напряжения фирмы TRIOL Co, установленная на станке СБШС-250Н (станок №2).

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Национальным горным университетом разработана программа проведения экспериментальных исследований приводной системы вращения става, которая согласована с ОАО НКМЗ. Осциллографировались параметры привода вращения в режимах забуривания, бурения одной, двумя и тремя штангами:

- ток якоря двигателя (активная составляющая тока статора);

- частота вращения приводного двигателя;

- активная, реактивная и полная мощности привода, потребляемая из сети;

- напряжение питающей сети.

При проведении экспериментальных исследований фиксировались тип применяемого долота, произведенная проходка на долото, обводненность взрывной скважины, минералогический состав (процентное соотношение магнетита, гематита, сидерита). Все снимаемые сигналы заводились, обрабатывались и запоминались на переносном компьютеризированном комплексе на базе Notebook.

Временная реализация вибрации несет в себе большое количество информации, которая может быть выделена при специальной обработке графиков вибросмещения. Чтобы обойти ограничения анализа во временной области, применялся частотный или спектральный анализ вибрационного сигнала. Если временная реализация есть график во временной области, то спектр - это график в частотной области. Спектральный анализ эквивалентен преобразованию сигнала из временной области в частотную.

Исследуемая функция вибросмещения вещественной переменной , определена в каждой точке промежутка . На этом промежутке функция вибросмещения удовлетворяет следующим условиям Дирихле: всюду однозначна, конечна и непрерывна; имеет ограниченное число максимумов и минимумов.

В этом случае можно представить функцию вибросмещения в виде тригонометрического ряда Фурье .

Ряд Фурье относительно вибросмещения головки бурового снаряда:

где - постоянная составляющая; k - номер гармоники; - амплитудное значение k-й гармоники; - начальная фаза k-й гармоники.

Причем коэффициенты , не зависят от координаты .

Для вычисления коэффициентов исходными являются уравнения

; ;.

Исследуемые кривые вибросмещений являются квазипериодическими, несинусоидальными и не являются геометрически правильной формой. Поэтому применяем быстрое преобразование Фурье, которое основано на замене определенного интеграла суммой конечного числа слагаемых. С этой целью период функции , равный , разбивается на равных частей.

Соотношения для расчета коэффициентов ряда Фурье:

;

где - количество интервалов разбиения периода (принято для исследуемой формы вибросмещения =240); - текущий номер интервала; - дискретное время.

Значения бралось для средины интервала , что позволяет уменьшить ошибку расчета начальной фазы .

Совокупность коэффициентов , разложения периодической функции в ряд Фурье является частотным спектром этой функции. Спектры являются функциями, зависящими от номера гармоники как независимой переменной. Графически частотные спектры изображаются в виде отрезков длины , , проведенных перпендикулярно оси абсцисс, на которую наносятся значения частот колебаний. Частотные спектры имеют дискретный (разрывный) характер. Расстояние между отдельными линиями спектра в общем случае равно . В частности, если период функции равен , то расстояние между линиями равно единице.

МАТЕРИАЛ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изменение типа приводной системы в результате модернизации в механизме вращения става привело к изменению динамики работы станка в процессе бурения взрывных скважин. Для нахождения количественных показателей работы станков произведены экспериментальные исследования непосредственно в горно-геологических условиях Центрального горно-обогатительного комбината (г.Кривой Рог, Украина). Исследовалась динамика работы механизма вращения става станка с четырьмя приводными системами: для станков СБШ-250МН-32 - это тиристорные приводы постоянного и переменного токов, транзисторный привод переменного тока и для станка СБШС-250Н - транзисторный привод переменного тока.

Сигналы с датчиков вибраций става, частоты вращения става, напряжения и тока приводного двигателя заносились в рабочую область математической матричной лаборатории, где средствами MATLAB [7], основанных на быстром преобразовании Фурье и методах, реализованных в блоках параметрической оценки, осуществлялся гармонический анализ кривой вибросмещения става.

Осциллограммы частоты вращения двигателя става, ток двигателя, активная составляющая полной мощности двигателя, вибросмещения нажимной траверсы головки бурового снаряда для исследуемых приводных систем, приведены на рис.1, 2.

Гармонический анализ вибросмещения става подтвердил известное положение, что увеличение скорости вращения долота приводит к повышению частоты и амплитуды вынужденных вибраций става.

Рисунок 1 - Осциллограммы переходных процессов в приводе вращения бурового станка СБШС-250Н по системе ПЧ-АД с инвертором напряжения

Наряду с известной закономерностью проявилась новая: в спектрах амплитудно-частотных характеристик вибраций става станка нового поколения СБШС-250Н появляется гармоника на частоте f=1,02 Гц, которая не зависит от частоты вращения става. Остальные гармонические составляющие подчиняются той же закономерности, которая характерна и для существующего бурового станка СБШ-250МН-32. Появление гармоники колебаний, не зависящей от частоты вращения става, свидетельствует о проявлении собственных частот колебаний става станка СБШС-250Н в процессе бурения. Кроме того, на скорости вращения 120 об/мин наблюдается сближение собственных и вынужденных колебаний става станка СБШС-250Н, т. е. став работает в режиме, близком к механическому резонансу, что отрицательно сказывается на долговечности узлов и бурового станка в целом.

В работах [8-10] произведен теоретический анализ става как объекта управления. Исследования проводились при следующих допущениях. Длина става изменяется ступенчато с приращением 8 м или 11 м в зависимости от типа станка. Став представляет собой толстостенную трубу круглого поперечного сечения, один конец которой шарнирно опирается на шарошечное долото, а другой имеет скользящее защемление в нажимной траверсе. Труба испытывает сжатие от усилия подачи. При определении частот собственных колебаний штанга исследовалась, как линейная система с равномерно распределенной массой, в которой продольные, крутильные и поперечные колебания независимы друг от друга. Массой шарошечного долота пренебрегаем.

Рисунок 2 - Осциллограмма вибросмещения головки снаряда при частоте 60 об/мин (а) и спектры амплитудо-частотных характеристик вибраций (б) станка СБШC-250Н с транзисторным приводом переменного тока по системе ПЧН-АД (осевое давление на став 250 кН, бурение тремя штангами)

В результате проведенных исследований штанги при принятых допущениях получены расчетные соотношения для определения собственных частот продольных, крутильных и поперечных колебаний, как односекционной штанги, так и при ее наращивании, что позволило разработать методику расчета собственных колебаний буровой штанги карьерных станков. На основании полученной методики просчитаны крутильные, продольные колебания става и поперечные колебания става. Из сопоставления собственных частот продольных, поперечных и крутильных колебаний, полученных расчетным путем с собственными частотами, которые выделены при экспериментальных исследованиях, следует, что при бурении одной и двумя штангами для всех типов станков собственные частоты става находятся в полосе затухания систем управления как приводами постоянного, так и переменного токов, т.е. став является абсолютно жесткой системой.

Непосредственно на динамику приводной системы оказывают влияние крутильные колебания става, при условии, что его собственные частоты попадают в полосу пропускания контура тока или контура частоты вращения. Эти условия выполняются при бурении четырьмя штангами станком СБШС-250Н. Продольные колебания по отношению к полосе пропускания приводных систем являются высокочастотными при всех значениях длины бурового става.

При бурении тремя штангами проявляются собственные поперечные колебания става в полосе пропускания системы управления. Экспериментально полученное значение циклической частоты колебаний 2,36 Гц, расчетное значение 2,48 Гц для станка СБШ-250МН-32. При бурении тремя штангами станком СБШС-250Н экспериментально зафиксированы собственные низкочастотные поперечные колебания штанги с циклической частотой 1,02 Гц. Расчетное значение этой частоты 1,05 Гц.

Низкочастотные составляющие поперечных колебаний непосредственно не влияют на динамические процессы в приводной системе. Однако собственные низкочастотные поперечные колебания приводят к недопустимым вибрациям не только става, но и бурового станка в целом, что существенно снижает наработку на отказ конструктивных узлов БС и ограничивает его производительность.

ВЫВОДЫ

На основе проведенных исследований можно сформулировать научное положение: в буровых станках нового поколения с транзисторными приводами высокого быстродействия собственные частоты колебаний объекта управления ниже частот среза контуров управления. Для обеспечения нормированных переходных процессов необходимо учитывать внутреннюю динамику бурового става, которая не рассматривалась в тиристорных приводных системах невысокого быстродействия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Современное состояние и перспективы развития предприятий по добыче и переработке железорудного и флюсового сырья в Украине [Текст] /В.А. Колосов, В.П. Воловик, Н.И. Дядечкин // Горный журнал. - 2000. - №6. - С.162-164.

2. Потенциал недр Украины [Текст] / В.Ф.  Бызов, И.С. Паранько, В.Д. Евтехов // Горный журнал. - 2000. - №6. - С.138-140.

3. Сторчак, С.О. Перспективи розвитку гірничорудної промисловості України [Текст] //Матеріали міжнародної конференції “Форум гірників-2005”. - Том 4. - Дніпропетровськ: из-во НГУ. - 2005. - С. 99-106.

4. Колосов, В.А. Состояние и перспективы развития сырьевой базы горно-металлургического комплекса Украины [Текст] / В.А. Колосов, Н.И. Дядечкин. - Горный журнал. - 2005. - №2. - С.10-13.

5. Панков, В.А. Создание и производство новых машин на НКМЗ для горнодобывающей промышленности [Текст] / В.А. Панков. - Горный журнал. - 2005. - №2. - С.92-94.

6. Калашников, О.Ю. Формирование технической политики АО "НКМЗ" в области производства горного оборудования [Текст] / О.Ю. Калашников, В.А. Дзержинский. - Зб. наук. праць НГА України. - 2002. - №13, том 2. - С.146-152.

7. Дьяконов, В.П. MATLAB 6/6.1/6.5+Simulink 4/5 в математике и моделировании. Полное руководство пользователя [Текст] / В.П. Дьяконов. - М.: Солон-Пресс. - 2003. - 576 с.

8. Хилов, В.С. Оценка собственных частот буровой штанги при нестационарных режимах [Текст ] / В.С. Хилов, В.В. Плахотник. - Сб. научн. тр. НГУ. - 2004. - №19, Т.4. - С.145-150.

9. Бешта, А.С. Математическая модель продольных и крутильных колебаний буровой штанги [Текст ] / А.С. Бешта, В.С. Хилов, В.В. Плахотник. - Гiрнича електромеханiка та автоматика. - Днiпропетровськ, НГУ. - 2004.- Вип. 73. - С.118-125.

10. Визначення власних частот поздовжніх і крутильних коливань бурової штанги [Текст ] /О.С. Бешта, В.С. Хілов, В.В. Плахотнік, К.М. Бас // Науковий вiсник НГУ. - 2005. - №1.- С.79-82.

Размещено на Allbest.ru