Электропривод вращателя бурового станка СБШ-320


Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ 4

  1. Условия работы и требования, предъявляемые к проектируемому механизму 6
  2. Обзор и анализ систем проектируемого электропривода и структур систем управления им 11
  3. Расчет мощности и выбор двигателя, управляемого преобразователя 14
    1. Расчет мощности и выбор двигателя  14
    2. Построение механической характеристики выбранного двигателя 16
    3. Расчет и выбор управляемого преобразователя  19
    4. Выбор токоограничивающего реактора 19
  4. Расчет структурной схемы электропривода 20
    1. Расчет параметров объекта регулирования 20
    2. Синтез регулятора тока 24 
    3. Синтез регулятора скорости 25
    4. Переход к относительным единицам 28
  5. Исследование полученной системы управления (анализ статических и динамических свойств электропривода) 31 
  6. Описание электрической принципиальной схемы 36

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 40

Список литературы                  41

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ


Развитие отечественной  горной промышленности происходит на основе широкого внедрения открытых горных разработок, где первоочередным, весьма трудоемким и наиболее ее дорогостоящим  производственным процессом является бурение  взрывных скважин. Удельный вес буровых работ в общей себестоимости добычи полезного ископаемого составляет 30% и более. Поэтому для выполнения значительного объема работ по подготовке горной массы и добыче полезных ископаемых в горнодобывающей промышленности предстоит в первую очередь создать, освоить и внедрить высокопроизводительные буровые станки. В связи с этим вопросы совершенствования техники и технологии бурения на открытых разработках приобрели особо важное значение для народного хозяйства страны.

Из различных способов проходки скважин в горной промышленности в породах с коэффициентом крепости f = 6-18 по шкале проф. М. М. Протодьяконова в России и за рубежом наиболее эффективен способ шарошечного бурения.

Наиболее распространенными  в настоящее время на горных предприятиях являются шарошечные станки типа 2СБШ-200-32 (2СБШ-200), 2СБШ-200-40 (2СБШ-200Н), 4СБШ-200-40 (2СБШ-200МН), 3СБШ-200-60 (3СБШ-200Н), СБШ-250МНА-32 (СБШ-250МН), СБШ-250-55 (СБШ-250С) и СБШ-320.

Автоматизация является одним из главных направлений  научно-технического процесса и важным средством повышения эффективности  производственных процессов. Современное промышленное производство характеризуется ростом масштабов и усложнением технологических процессов, увеличение единичной мощности отдельных агрегатов и установок, повышением требований к качеству продукции, сохранности оборудования и т.п. Автоматизация технологических процессов имеет существенное значение в деятельности любого предприятия. Автоматизация процессов бурения позволяет повысить количественные и качественные показатели, облегчить труд производственного персонала, обеспечивает безопасность производственной деятельности, понизить трудоемкость труда, тем самым, улучшая экономическую эффективность производства.

Основными задачами автоматизации является регулирование и контроль параметров технологического процесса, централизованный сбор и обработка информации о состоянии процесса и технологического оборудования. Задачи автоматизации электропривода сводятся к рационализации использования электроэнергии, а также осуществлению контроля и регулирования выходных параметров электропривода, оказывающих влияние на технологическую переменную.

В настоящем курсовом проекте ставится задача получения системы управления электроприводом вращателя бурового шарошечного станка


СБШ-320, которая сделает  возможной работу данного механизма  внутри автоматизированной системы  управления технологическим процессом, взаимодействие с этой системой, а также позволит регулировать технологические параметры процесса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Условия работы и требования, предъявляемые к проектируемому электроприводу


 

Буровой станок СБШ-320 (рис 1.)  является самоходной буровой установкой, предназначенной для бурения шарошечными долотами вертикальных  взрывных скважин в крепких и весьма крепких породах (с коэффициентом крепости f до 18 но шкале проф. М. М. Протодьяконова). Станок может быть использован на карьерах, добывающих сырье для черной и цветной металлургии, а также строительные материалы [7, с. 43].

Технические данные станка СБШ-320

Диаметр бурения, мм  320

Глубина бурения, м 40

Направление бурения  Вертикально 
Мощность, кВт:

общая  712

в том числе:

привода вращателя              100   

привода компрессора          2×200

привода гусеничного  хода        2×22

Подводимое напряжение, В       380                  

Габариты станка, м:

ширина 5,45  

длина:

с поднятой мачтой        12,5     

с опущенной мачтой       24,8

высота:

с поднятой мачтой        25,2     

с опущенной мачтой       7,83

Головка бурового снаряда:

скорость вращения бурового

става, об/мин 30-130

Механизм подачи:

тип канатно-полиспастная

Масса станка, т  110

 

Станок СБШ-320 (рис. 1) смонтирован на гусеничном ходу 1. На его осях устанавливается платформа с машинным помещением 2, являющейся силовой конструкцией станка. К основным узлам станка относят: рабочий орган, ходовое оборудование, гидравлический привод, систему пылеулавливания, систему пылеподавления, пневматическую систему. Электроэнергию станок получает с помощью двух гибких кабелей от карьерной сети напряжением 380 В переменного тока.

Рабочий орган станка установлен в мачте 3, которая при помощи четырех гидродомкратов 4 устанавливается в рабочее (вертикальное) положение. К основному рабочему (буровому) оборудованию: механизм подачи, вращатель, головку бурового снаряда, направляющие, сепаратор, оборудование для свинчивания и развинчивания бурового става и замены долота, стояк с гирляндой. Станок СБШ-320 оснащен верхним расположением вращательно-подающего механизма 5.

 Вращательно-подающий механизм (рис. 2) станка служит для вращения бурового става и подачи буровых штанг. Вращатель состоит из электродвигателя постоянного тока 1, вентиляционной установки 7 для охлаждения электродвигателя, двуступенчатого односкоростного редуктора 2 с передаточным числом 10, шинно-зубчатой муфты 3, каретки 4, опорного узла 5, траверсы 6


 

 

 

 

 


 


 

 


 



 


 


 

 




 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Общий вид бурового станка СБШ-320 Рис. 2 Вращатель бурового станка СБШ-320

 

 

 

Режимы работы электропривода

 

Привод вращателя работает в процессе бурения, а также при  наращивании и разборке бурового става [4, с. 86]. Нагрузка привода

 

вращателя носит случайный характер, который определяется множеством факторов. Основным является распределение горных пород по глубине залегания. В результате анализа литологических разрезов ряда угольных месторождений (Черногорского, Экибастузского, Минусинского, Черемховского и др.) выявлено, что толщина слоев и коэффициент крепости буримых пород изменяются случайным образом и колеблются соответственно от 0,1 до 6 м и от 2 до 18 (по шкале профессора М. М. Протодьяконова).


Из осциллограммы (рис. 3), изменения тока якоря электродвигателя вращателя бурового станка, полученной в процессе буровых работ видно, что нагрузка двигателя в пределах нескольких циклов перехвата одного периода бурения изменяется в четыре раза (отношение максимального, значения к минимальному). Это происходит случайным образом относительно более или менее очевидных средних значений в пределах одного цикла перехвата и в период бурения всей штанги. На характер нагрузки вращателя оказывает также влияние конструктивное исполнение механизма вращателя, что определяется верхним или нижним расположением механизма вращателя.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3 Осциллограмма изменения тока якоря электродвигателя вращателя бурового станка

 

Диаграмма нагрузки двигателя привода  вращателя в процессе цикла работы бурового станка (рис. 4) показывает, что в период t1 происходит непосредственно бурение первой и последующими штангами, t2 — смена штанги, t3 — свинчивание штанг, а t4 — их развинчивание. За время t5 осуществляется комплекс операций, необходимых для подготовки к бурению новой скважины (переезд, горизонтирование и др.). t6 - время рабочего цикла.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4 Диаграмма нагрузки двигателя привода вращателя в процессе цикла работы бурового станка


В период свинчивания  и развинчивания штанг максимум тока достигает стопорного значения.

У станков с верхним  расположением механизма вращателя  цикл работы привода проще, чем для станков с нижним расположением механизма вращателя, поскольку подача става осуществляется без перехватов. Двигатель в процессе бурения работает непрерывно, без пауз. Значения нагрузки якоря двигателя по току и продолжительность отдельных участков нагрузочной диаграммы носят случайный характер и непрерывно изменяются в процессе работы от цикла к циклу.

Таким образом, из вышесказанного можно сформулировать следующие  особенности работы механизма:

    • длительный режим работы, не требующий частых пусков, торможения и реверса;
    • работа в условиях питания от внешней сети с увеличенным диапазоном изменения значения рабочего напряжения (от 80 до 115% номинального значения);
    • повышенная запыленность, тряска, повышенная влажность и вибрация;
    • широкий диапазон изменения температуры окружающего воздуха (от —50° С для условий Крайнего Севера, до +40° С);
    • нагрузка – реактивная, носит случайный характер, изменяется в широких пределах вплоть до стопорения;
    • механизм вращателя – упругий буровой став переменной длины;
    • возможно совпадение частот возмущающих воздействий и частот собственных колебаний, так как нагрузка носит колебательный характер.

Требования  к электроприводу

Анализ режимов нагружения и характеристик приводов отечественных и зарубежных станков шарошечного бурения позволяет сформулировать требования к ним (табл. 1), [4, с. 88], [9].

Таблица 1

 

Показатели

Привод механизмов

 

вращателя

подачи

хода

Диапазон регулировании

10—15

200

10—15

Форма механической характеристики

Экскаваторная

Кратность перегрузки

  2,5

2,5

2,5

Жесткость рабочей ветви механической

характеристики, >,%

5—7

2-5

10—15

Целесообразность регулирования  продолжительности пуска

Да

Да

Да

Необходимость оперативного реверсирования в период рабочего процесса

Нет

Да

Да

Возможность неоперативного (установочного) реверсирования

Да

Нет

Нет

Целесообразность автоматизации

управления

Да

Да

Нет


 

Необходимо  обеспечить работоспособность приводов в условиях питания от внешней сети с увеличенным диапазоном изменения значения рабочего напряжения (от 80 до 115% номинального значения); повышенной запыленности, тряски и вибрации; широкого диапазона изменения температуры окружающего воздуха (от —50° С для условий Крайнего Севера, до +40° С). Необходимы минимальные габариты, максимальная унификация приводов для одного типа станка, и между станками различных типов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Обзор и анализ систем  проектируемого электропривода  и структур систем управления им


 

Для буровых станков  характерно многообразие типов применяемых электроприводов. Поэтому в данном разделе рассмотрены основные разновидности электроприводов, применяемых в главных механизмах буровых станков [4, с. 91].

Система Г - Д с ЭМУ. Электропривод по системе Г — Д с ЭМУ применяется в механизме вращателя бурового станка 2СБШ-200-32 (2СБШ-200). Довольно большое количество этих станков находится в эксплуатации.

Использование электроприводов  по системе Г — Д с ЭМУ  в механизме вращателя буровых  станков обеспечивает:

    • требуемые статические и динамические характеристики;
    • достаточно высокая плавность пуска;
    • широкий диапазон регулирования.

В буровых станках  применяется система Г - Д с ЭМУ поперечного поля, в котором усиление производится в две ступени. Это дает достаточно высокий коэффициент усиления. ЭМУ служит возбудителем генератора постоянного тока, который обеспечивает питание якоря двигателя постоянного тока исполнительного механизма. Генератор и ЭМУ приводятся во вращение от асинхронных электродвигателей.

 

Недостатками такой системы  являются:

    • значительные габариты установки;
    • высокие капитальные и эксплуатационные расходы.

 

 

Система Г - Д с ТВ. На буровых станках отечественного производства электропривод по системе Г – Д с ТВ применения не нашел, однако широко используется в буровых станках различных зарубежных фирм. К достоинствам этой системы управления относят:

    • требуемые статические и динамические характеристики;
    • большее, по сравнению с системой Г – Д с ЭМУ, быстродействие;
    • возможность применения многоконтурных систем регулирования;
    • сохранение достаточной жесткости механической характеристики.

 

Недостатками такой системы  являются:

    • необходимость двукратного преобразования энергии (из электрической энергии переменного тока в механическую и из механической вновь в электрическую – постоянного тока регулируемого напряжения), что приводит к значительному снижению КПД;

 

 

    •  наличие трех машин  в системе, суммарная установленная мощность которых в три раза больше установленной мощности регулируемого двигателя;

  • значительные габариты установки;
  • инерционность управления (необходимость применения тиристорного возбудителя для ускорения переходного процесса);
  • высокие капитальные и эксплуатационные расходы.

    •  

    Система ТП - Д. На отечественных и зарубежных буровых станках применяют электроприводы постоянного тока по системе ТП — Д (тиристорный преобразователь – двигатель). Применение статического силового преобразователя обеспечивает:

      • более широкий по сравнению с системами Г — Д диапазон регулирования;
      • возможность формирования высококачественных статических и динамических характеристик привода благодаря малой его инерционности;
      • более высокий к.п.д.;
      • меньшие габаритные размеры и массу;
      • большие возможности блочно-модульного конструктивного решения и унификации;
      • рациональную компоновку оборудования в машинном помещении станка лучшие эргономические характеристики.

     

    Основным же недостатком такого привода является:

      • отрицательное воздействие на внешнюю сеть тиристорного преобразователя – образование высших гармонических и снижение коэффициента мощности в сети;
      • то есть, необходима установка фильтров высших гармоник и компенсация реактивной мощности.

    Исходя из рассмотренных систем, в качестве системы электропривода вращателя бурового станка СБШ - 320 будет  использован привод по системе ТП–Д, так как эта система является самой эффективной для данного привода.

     

    Анализ структур управления

     

    На сегодняшний день находят применение следующие типовые  структуры электропривода: структура с суммирующим усилителем и структура подчинённого регулирования координат.

    Основным недостатком  структуры с суммирующим усилителем является взаимное влияние обратных связей, затрудняющее получение оптимальных динамических качеств при регулировании каждой переменной. Поэтому данные структуры в настоящее время почти не применяются.

    Структура с подчинённым  регулированием координат имеет ряд существенных достоинств:

     

    • благодаря инерционности регулятора тока система отфильтровывает высокие частоты, что обеспечивает сохранение демпфирующей способности привода на высоком уровне при абсолютно мягкой статической характеристике.

  • система проста в наладке и эксплуатации.
  • . Расчет параметров регуляторов, обеспечивающих статические заданные и динамические свойства, осуществляется простым инженерным методом. Простота настройки и оценки параметров регулирования;
  • СПРК обеспечивает возможность формирования экскаваторной характеристики с высоким  коэффициентом заполнения простыми средствами.

    •  

    В управлении электроприводом вращателя станка СБШ – 320 выбираем систему подчиненного регулирования координат (СПРК). Так как эта система обеспечивает выполнение требований, предъявляемых к   данному электроприводу.

     

    3. Расчет мощности  и выбор двигателя, управляемого  преобразователя


    3.1 Расчет мощности и выбор двигателя электропривода

    При разработке электроприводов  буровых станков определяются параметры электродвигателей, преобразователей, контакторной и защитной аппаратуры. Для выбора электродвигателей необходимо установить значения мощности, частоты вращения и типа электродвигателя.

     

    Мощность двигателя  вращателя станка шарошечного бурения СБШ-320 определяют при следующих условиях [2, с.164]:

     

    Диаметр долота,          32 см

    КПД механизма вращателя,        0,65

    Число шарошек,          3

    Крепость породы по шкале  проф. М.М. Протодьяконова,   14-16

     

    По приложениям 20 и 21 учебника [2, с. 191-192] принимаем величину прочности породы при бурении , частоту вращения долота и механическую скорость бурения:

     

    Прочность породы при бурения,      

    Частота вращения долота,       80 об/мин

    Скорость бурения,         10 см/мин

     

    По данным определяем:

     

    Усилие подачи:

     

     

    Сопротивление, преодолеваемое механизмом подачи:

     

    где  - коэффициент, учитывающий уменьшение скорости бурения из-за неполного скалывания породы между зубьями, = 0,5;

     

     

    Момент сопротивления вращения:

     

     


    где - коэффициент, учитывающий трение в подшипниках шарошек и бурового става о стенки скважины, = 1,12;

    Мощность двигателя  вращателя:

     

    .

     

     

    Из технических данных ДПТ [3], применяемых в главных электроприводах экскаватора выбираем двигатель постоянного тока независимого возбуждения марки ДПВ – 72 со следующими характеристиками:

     

     

    Ед. измерения

    Значение

    Номинальная мощность двигателя

    , кВт

    100

    Номинальное напряжение

    , В

    305

    Номинальный ток якоря

    , А

    325

    Номинальная скорость вращения вала

    ,об/мин

    750

    Напряжение возбуждения

    , В

    80

    Ток возбуждения

    , А

    12,7

    Число полюсов

    2p

    4

    Сопротивление обмоток  при 

    		   

       - якоря 

    , Ом

    11,8.10-3

    - вспомогательных полюсов

    , Ом

    8,6.10-3

    - компенсационной обмотки

    , Ом

    		  

    - независимого возбуждения

    , Ом

    51

    Число витков обмоток  на полюс якоря

    372/4

    Число витков ОВ на полюс

    470

    Число параллельных ветвей обмотки якоря

    2a

    2

    Момент инерции якоря

    J,

    8,25

    Продолжительность включения

    ПВ, %

    80


     

    Проверку двигателя  на нагрев и продолжительность включения  проводить не требуется, так как  режим работы привода вращателя длительный и не требует частых пусков, торможений и реверсов. Нагрузка реактивная и носит случайный характер.

     Выбор и расчет  передаточного числа редуктора


     

    Передаточное число  редуктора:

     

    Из стандартного ряда значений передаточных чисел цилиндрических редукторов [2, с. 181] выбираем двухступенчатый редуктор с передаточным числом iред= 10. Кинематическая схема механизма представлена на рис. 5.


     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Рис. 5 Кинематическая схема привода вращателя станка СБШ-320

     

     

    3.2 Построение механической характеристики выбранного двигателя

     

    Номинальный момент на валу двигателя [2, с. 41]:

     

     

    Для упрощения расчетов момент инерции  цилиндрического редуктора принимаем равным 15-20% от момента инерции якоря двигателя:

     кг×м2, [2, с. 42];

    Момент инерции поступательно перемещающихся масс, [2, с.42]:

       кг×м2, 


    где mст – поступательно перемещающая масса (масса станка).

    Суммарный момент инерции:

     кг×м2.

    Момент сопротивления, приведенный в валу двигателя:

     Нм,

    где Мшар - момент сопротивления вращения.

         

    Для формирования статической механической (экскаваторной) характеристики необходимо задаться стопорным моментом и моментом отсечки:

     Нм

     Нм

     

    Пусковой момент для  упрощения принимаем как среднее  арифметическое между стопорным моментом и моментом отсечки:

     Нм

     

    Динамические моменты при пуске  и торможении принимаем равными  друг другу:

     Нм

     

    Номинальная угловая  скорость вращения:

     рад/с

    Время пуска:

     с

     

    Механическая характеристика  двигателя  приведена на рис.6.

     

     

    3.3 Расчет и выбор управляемого преобразователя


     

    Для осуществления автоматического регулирования предусматривают управляемые преобразователи, позволяющие автоматически под воздействием обратных связей изменять управляющий сигнал. В качестве управляемого преобразователя выбираем тиристорный преобразователь - ТП. Условия выбора ТП [5]:

     

      1.       ;
      2.      ,

    где   , - номинальные выпрямленные напряжение и ток.

    Из [5] принимаем преобразователь типа КТЭУ – 500/440 УХЛ3 со следующими данными:

     

    - номинальное выпрямленное  напряжение  = 440В;

    - номинальный выпрямленный  ток  = 500А.

     

    3.4 Выбор токоограничивающего реактора

     

    Для данного электропривода вращателя станка СБШ-320 вместо согласующего трансформатора целесообразнее выбрать токоограничивающий реактор. Токоограничивающий реактор включают в цепь переменного тока мостовой выпрямительной схемы. Для тиристорных преобразователей используют сухие трехфазные токоограничивающие реакторы серии РТСТ.

    Токоограничивающие реакторы выбирают исходя из значений линейного  напряжения питающей сети Uн и номинального выпрямленного тока тиристорного преобразователя Idн, [5]:

     

    1. Uн = 380 В
    2. Idн = 500 А

    Выбираем реактор типа РТСТ – 20,5 – 2,02 УЗ с техничискими данными:

    Номинальное линейное напряжение питающей сети  Uн = 410 В 

    Номинальный фазный ток      Iфн = 20,5 А

    Номинальная индуктивность фазы      Lф=2,02м Гн

    Активное сопротивление обмотки     R = 265мОм

     

     

     

     

     

     

     

     

    4. Расчет структурной схемы электропривода и синтез регуляторов системы управления электроприводом


     

    4.1. Расчет структурной схемы электропривода

    Расчет структурной  схемы ЭП подразумевает определение  передаточных функций звеньев системы  автоматизированного электропривода: регуляторов, объекта регулирования, обратных связей.

    В связи с расширением использования полупроводниковой техники управления и созданием унифицированных блочных систем регуляторов (УБСР), предназначенных для управления электроприводами, практический интерес представляет последовательная коррекция контуров регулирования. С учетом этих условий в теории автоматизированного  электропривода разработан инженерный метод синтеза унифицированных контуров регулирования, получивший название метода последовательной коррекции с подчиненным регулированием координат. Этот метод позволяет расчетным путем определить параметры регуляторов, обеспечивающих заданные динамические показатели контура регулирования.

    При подчиненном регулировании  координат система электропривода разделяется на группы звеньев, в каждой из которых, как правило, имеется только одна большая постоянная времени. Каждая из таких групп звеньев включается в контур регулирования со своими регулятором и обратной связью. В результате система получается многоконтурной, причем каждый последующий контур охватывает предыдущий. Выходные величины регуляторов внешних контуров регулирования оказываются входными для внутренних контуров регулирования. Поэтому такие системы называют системами подчиненного регулирования координат с последовательной коррекцией. Одна из регулируемых координат является основной, остальные – подчиненными (рис.3).