Влияние электродинамических параметров электродвигателей на надежность, долговечность и управляемость экскаваторов цикличного действия

Н.Н.Киселев, д.т.н., Лауреат Ленинской и Государственной премий Е.М.Садовников, к. т. н.

При открытом способе добычи полезных ископаемых основными выемочно-погрузочными машинами уже давно стали одноковшовые экскаваторы. Главными показателями технического уровня экскаваторов являются их производительность, надежность, удельный расход электроэнергии и металлоемкость. Эти показатели тесно взаимосвязаны и на них оказывают влияние такие факторы как горно- технологические и климатические условия эксплуатации экскаваторов. Они имеют случайный характер, но предопределяют выбор конструктивных и наладочных параметров, а также управляющих воздействий [1].

Общеизвестно, что основные конструктивные параметры экскаватора это геометрическая вместимость ковша, масса рабочего оборудования и его компоновка, передаточное соотношение редукторов рабочих механизмов (выбор рациональной частоты вращения электродвигателей этих механизмов).

Из общего числа факторов, определяющих функционирование комплексной системы «машинист-экскватор-забой» активно могут быть изменены конструктивные, наладочные параметры и управляющие воздействия. В связи с этим, на стадии проектирования должны быть заложены конкретные технические решения, позволяющие повысить эффективность функционирования всей комплексной системы, а на стадии эксплуатации поддерживать оптимальные технические параметры и алгоритмы управления.

Одним из важнейших конструктивных факторов, определяющих первоначальные затраты, величину эксплуатационных расходов (энергия, ремонт оборудования, простои, связанные с ремонтом), удельную металлоемкость, а также компоновку оборудования на поворотной платформе, является выбор рационального передаточного числа редуктора номинальной частоты вращения приводных двигателей главных механизмовподъема, напора (тяги) поворота [1, 2].

Применяемые в настоящее время на многих карьерных экскаваторах высокооборотные электродвигатели (с передаточным отношением редуктора i = 31-40 и более) обеспечивают меньшую их массу (и габариты), рациональную компоновку на поворотной платформе, при необходимых суммарных моментах нагрузки на рабочее оборудование, но при этом значительно увеличивающих крайне нежелательные динамические нагрузки на рабочее оборудование и металлоконструкции экскаватора.

Коэффициент динамики (динамичности) в основном зависит от двух составляющих первой, зависящей от динамических параметров механической системы, и второй, зависящей от величины электромагнитного момента электродвигателя. Момент инерции (GD2) ротора электромотора является очень важным динамическим параметром электрической системы и он всегда приводится в технических характеристиках электромотора.

Как показывает опыт проектирования, анализ и исследования работы одноковшовых экскаваторов [1], одной из важных причин снижения надежности и долговечности работы деталей, узлов и экскаватора в целом является недооценка (при проектировании) влияния значительной и не управляемой кинетической энергии движущихся элементов «силовой цепи» электропривода, определяемой зависимостью

где ∑J суммарный момент инерции электродвигателя, приведенный к моторному валу механизма; ω угловая скорость вращения моторного вала.

Из этой зависимости следует, что снижение максимальных усилий, возникающих в механизме, может быть достигнуто за счет снижения суммарного момента инерции электродвигателей механизма, приведенного к моторному валу и квадрата их угловой скорости вращения.

Поскольку запас суммарной кинетической энергии в основном определяется суммарным моментом инерции якоря электродвигателя и приведенного к моторному валу редуктора, а также их угловой скоростью, то существенное снижение максимальных нагрузок на механизмы может быть достигнуто применением «среднеоборотных двигателей» не только с уменьшением угловой номинальной скорости электродвигателей, но при этом даже с увеличением их номинального момента.

Исходные данные расчета и результаты силовых и динамических параметров экскаваторов различных заводов изготовителей

Показатели, их размерность

УЗТМ

НКМЗ

ЭКГ-15

ЭКГ-20

ЭШ-11.70

ЭШ-14.50

ЭШ-15.90

ЭШ-2.0.90

Количество х мощность двигателей, кВт

2х500

2х560

2х500

2х500

2х680

2х1000

Номинальное число оборотов двигателя,1/мин.

900 (600)

500

900 (600)

900 (600)

750 (630)

630

kпуск = Мпускном

1.8

1.75

1.6

1.6

1.6

1.67

Суммарный момент инерции электро-двигателей Jэ, кг м2

2х30/40/80

2х40/80

2х30/40/80

2х30/40/80

2х200/140/280

2х140/280

Суммарный момент инерции механического оборудования JM, кг м2, при:

69 (53)

90

60 (53)

60 (53)

280 (210)

280

- весе эл.двигателей Gэ, т

4.2 (6.3)

6.3

4.2 (6.3)

4.2 (6.3)

8.2 (8.46)

8.46

- передаточном числе редукторов и блочной системы (ip×iбл.)

30х2(20х2)

33.7

30.1(20)

30.1(20)

26.48(22.53)

22.53

- диаметре барабана лебедок Dб, м

1.6

1.43

1.63

1.63

1.8

1.8

- скорости дъема Мп,

1.1

1.08

2.58

2.58

2.65

2.65

- максим. усилии подъема, т

147

176

-

-

-

-

- максим. концевой нагрузке, т

-

-

33

42

47

63

Вес приведенной к ковшу «силовой цепи», Gпр

735(395)

373

197 (113)

206 (122)

653(354)

(370)

Ускорители j до Vп, м/с2

0.98

2.1

1.3

1.3

0.6

1.84

Время t выхода на Vп, сек.

1.53

0.5

2.0

2.0

4.5

1.5

Примечание: значения в скобках учитывают использование среднеоборотных двигателей и соответствующих им пониженных передаточных чисел Данные о приведенном к ковшу весе элементов движущейся «силовой цепи» рассчитаны с использованием формулы приведенного веса Gпр;

где: z количество электродвигателей в «силовой цепи»;
Jэ момент инерции эл. двигателей;
JM = i/30 момент инерции механизмов;
ip передаточное число редукторов;
W передаточное число блоков;
D6 - диаметр барабана, м;
g = 9,81 м/сек2, Рк максим. концевое усилие, т.

Таким образом, с целью снижения динамических нагрузок как на механическое, так и на электрооборудование главных механизмов, а также на металлоконструкции, особенно при черпании крупнокусковой скальной горной массы (и особенно, подготовленной БВР, даже при небольшой доли негабаритов [6]), в условиях низких температур и уменьшения удельного расхода электроэнергии, целесообразно на стадии проектирования рассматривать и решать вопрос о применении среднеоборотных электродвигателей с передаточными числами i редуктора механизма подъема или напора (мехлопат), тяги и подъема (драглайн), соответственно, iт≈30; iп≈18÷20.

Современные способы ручного и автоматического управления механизмами также позволяют несколько снижать максимальные динамические нагрузки [6, 7, 8].

Однако, наибольший эффект может быть достигнут при применении этих способов с использованием среднеоборотных двигателей.

Инерционность вращающихся элементов электродвигателей и приводимых ими механизмов взаимозависимы. Например, при двухступенчатом редукторе с передаточным числом i ?w 30, его приведенный к моторному валу момент инерции примерно равен моменту инерции электродвигателя [2]. При передаточном числе редуктора i >30, его момент инерции будет превышать момент инерции электродвигателя, а при i< 30 момент инерции (приведенный к моторному валу) будет меньше момента инерции электродвигателя. Это вытекает из принципа подобия, из которого следует [3], что масса редуктора, а, следовательно, и его вращающихся элементов, пропорциональна моменту выходного вала. Тогда для предварительных расчетов может быть использована приближенная взаимозависимость моментов инерции редуктора, приведенных к моторному валу

(от передаточного числа ip редуктора применительно к двухступенчатым редукторам мехлопат и драглайнов).

Так, при проектировании и изготовлении карьерной лопаты ЭКГ-20 (УЗТМ) были применены среднеоборотные двигатели для привода подъема (∑N=2 • 560 кВт, n = 500 об/мин с редуктором i = 33,7).

Вместе с тем, при создании Ижорским заводом экскаватора ЭКГ-15 были использованы для привода подъема электродвигатели высокооборотные (EN=2 • 500 кВт, n=900 об/мин с передаточным числом подъемной лебедки

∑i= iлебед.∑Iканатн.блоков=29.74 · 2=60).

Это обуславливает увеличение против приведенного к барабану экскаватора (даже ЭКГ-20), движущейся массы силовой цепи в 1.9 раза на экскаваторе ЭКГ-15, что существенно повышает коэффициент динамичности и ухудшает управляемость.

При создании на УЗТМ ЭШ-20.90 в их приводе поворота применяются средне оборотные двигатели (∑N=4 • 240 кВт; n=360 об/мин.), что позволило исключить возникающую при износе зубьев в венцах вибрацию в повороте, и снизить примерно в 1,5 раза инерционность поворота.

С той же целью на УЗТМ была выполнена модернизация электромеханизмов поворота драглайна ЭШ-15/90 с применением среднеоборотных электродвигателей (пн=460 об/мин и 4N=4 • 210 кВт).

При создании на НКМЗ вскрышной мехлопаты ЭВГ-35/65 (1956-57 гг.), для лебедок подъема и напора, были применены среднеоборотные электродвигатели, соответственно, 220-440 об/мин. и 300 об/мин. (для напора). Это обеспечило снижение динамической составляющей подъема в 1.85 раза и напора в 2.2 раза; эти машины до сих пор успешно работают на Черемховском разрезе.

Исследованиями установлено [9], что основной причиной снижения надежности и долговечности таких машин являлась недооценка (при проектировании) влияния на это значительной кинетической энергии движущихся масс элементов «силовой цепи» (от электродвигателя и канатов до ковша) и, в основном, т.н. «живой силы А» электродвигателей и редукторов. Если существующими средствами машинист-оператор экскаватора может достаточно успешно управлять («дозировать») воздействием на рабочий процесс и нагружение электроэнергией на «силовую цепь», то это невозможно в отношении аккумулирования и использования кинетической ее энергии. Поэтому величина последней должна быть существенно ограничена в оптимальных пределах ее влияния как на рабочий процесс, так и на нагружение «силовой цепи» (электродвигатели-ковш).

Так, даже при отключении оператором воздействия электрической энергии значительная кинетическая энергия (накопленная номинальной угловой и линейной скоростями движения массы «силовой цепи») может привести к недопустимой аварийной величине нагружения и даже к разрушению последней.

Для иллюстрации рациональности ориентации на применение среднеоборотных электродвигателей в экскаваторной технике цикличного действия в таблице приводятся основные сопоставительные данные для расчета силовых и динамических величин по шести экскаваторам цикличного действия, наиболее широко применяемым в карьерах.

Из таблицы видно, что в ЭКГ-15, ЭШ-11/70, ЭШ-14/50 и ЭШ-15/90 применяются высокооборотные электродвигатели. Это обусловило значительные приведенные движущиеся массы электромеханических приводов и, как следствие, повышение динамической нагрузки в «силовой цепи» (электродвигатели-редук-тор-ковш), а также снижение «отзывчивости» управляемости в рабочем процессе экскаваторов.

Полученные результаты расчетов величины приведенного веса к окружности барабана или ковшу, дают основание для следующих соображений.

Столь огромный приведенный движущийся вес и величина кинетической энергии (как, например, 735 т у ЭКГ-15 и 653 т у ЭШ-15/90) будет эпизодически, т.е. при стопорении движения «силовой цепи» вызывать значительные, примерно в 1.5 раза большие, динамические усилия в ней (от электродвигателей до ковша), а также уменьшать «отзывчивость» в управлении, что непременно скажется в снижении надежности, а, следовательно, в производительности экскаваторов.

Применение среднеоборотных электродвигателей позволит существенно (в 2 раза и более) улучшить этот показатель.

Использование среднеоборотных электродвигателей было впервые реализовано специалистами УЗТМ только в выпущенной партии карьерных мехлопат ЭКГ-20 и в сравнительно маломощных электродвигателях ЭШ-20/90, четырехпоточных электроприводах поворота и при его модернизации у ЭШ-15/90.

К сожалению, это принципиально прогрессивное направление не встретило заинтересованности машиностроителей, так как оно неминуемо вызывало увеличение примерно на 50% удельной материалоемкости электродвигателей. А явную эффективность от применения среднеоборотных электродвигателей за счет снижения динамических нагрузок в «силовой цепи» экскаваторов; увеличения от этого надежности, долговечности, а, следовательно, снижения потерь фонда рабочего времени машины при ремонтных простоях и, наконец, увеличения «отзывчивости» в управлении с повышением от этого производительности, при некотором повышении расхода электроэнергии реально ощутят только потребители экскаваторов, но не изготовители электродвигателей.

Это противоречивое обстоятельство, видимо, не может быть разрешено без изменения принципа ценообразования на среднеоборотные электродвигатели. Понятно, что разрешение будет заключаться в повышении цены на них с учетом эффективности их применения в отраслях горнодобывающей промышленности, а не только величины затрат на производство среднеоборотных электродвигателей в электромашиностроении.

Заключение

Для достижения обозначенной в нашей статье цели необходимо экскаваторы цикличного действия оснащать уже на заводе-изготовителе среднеоборотными электродвигателями, как это делает фирма P&H.

В процессе капитальных и средних ремонтов производить модернизацию с возможной заменой высокооборотных электродвигателей на среднеоборотные и с соответствующей заменой зубчатых вращающихся элементов редукторов (в их корпусах) для уменьшения передаточного числа. Это без труда можно осуществить поставкой электродвигателей заводами-изготовителями в объеме запчастей; при этом с полным использованием корпусных деталей лебедок экскаваторов. Вместе с тем, отметим некоторые особенности модернизации экскаваторов заменой высокооборотных двигателей на среднеоборотные одинаковой мощности. Так как среднеоборотные электродвигатели имеют, примерно, в 1.5 раза большую металлоемкость и, примерно, на 15% большие габариты (увеличение которых для применяемых в настоящее время высокоскоростных электродвигателей составит ^150 мм).

Установка таких электродвигате-лей потребует согласования осей вращения электродвигателя и скоростного вала редуктора лебедок. Это может быть осуществлено путем установки редуктора на две поперечные короткие и две продольные балки (высотой около 150 мм) под краевые опорные плоскости. После сборки такие опорные балки должны быть прикреплены сваркой к поверхности платформы как постоянные детали опирания элементов корпусов редукторов лебедок.

Все эти меры позволят снизить коэффициент динамичности примерно в 1.5 раза, что в современных условиях только на повышении долговечности рабочих канатов (расход которых за срок службы машины достигает по стоимости суммы, равной ее цене [9]) обеспечит значительный экономический эффект.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Гейлер Л.Б. Электропривод в тяжелом машиностроении. М. Машгиз, 1958, с. 254.

2. Расчет мощности привода подъема ЭШ-10/70. № 8714 Р.Р. НКМЗ, 1972.

3. Многопоточные редукторы. г. Киев, Техника, 1983, с. 28-29.

4. Садовников Е.М. Повышение технического уровня карьерных экскаваторов путем обоснования и выбора конструктивных наладочных параметров и управления взаимодействия. Автореф. канд. дисс. Екатеринбург, 1993.

5. Волков Д.П., Каминская ДА. Динамика электромеханических систем экскаваторов. М., Машиностроение. 1971.

6. Беляков Ю.И. Проектирование экскаваторных работ, М., Недра, 1983.С.80.

7. Справочник механика открытых работ. Под ред. М.И.Щадова, Р.Ю. Подэрни. М., Недра, 1989.

8. Полянский Е.С. Исследование нагрузок в подъемных канатах и стрелах драглайнов. Автореф. канд. дисс.,

М. МИСИ им. В.В.Куйбышева, 1969.

9. Разработка предложений по модернизации экскаваторов с целью повышения надежности и долговечности основных механизмов. Отчет о НИР Г.Б.-92, М., МИСИ им. В.В.Куйбышева.

Журнал "Горная Промышленность" №1 2005