Удельная нагрузка на ленту конвейера

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ

МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Горная электротехника и автоматика»

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовому проекту  по дисциплине

«Метрология»

на тему

 

Удельная нагрузка на ленту конвейера

 

 

 

 

 

Выполнил 

студент группы АУП-10б   __________  Черный В.В.

 

Проверил

доцент кафедры ГЕА       ____________  Неежмаков С.В.

 

 

 

 

Донецк-2013

Задание

 

 

 

на курсовой проект по дисциплине

“ Технологические измерения и приборы  в горной промышленности”

 

 

студента Черного Вадима Валериевича  группы АУП-10 б

 

 

 

Наименование  технологического объекта: магистральный ленточный конвейер

 

Наименование  базового устройства или аппаратуры автоматизации: АУК.1М

 

Литературный источник: Гаврилов П. Д., Гимельштейн Л. Я., Медведев А. Е. Автоматизация производственных процессов. Учебник для вузов. М.: Недра, 1985, 215 с.

 

Тема проекта: «Удельная нагрузка не ленту магистрального конвейера»

 

 

 

 

Дата выдачи задания  “  ” сентября 2012г.

 

Срок сдачи  студентом

курсового проекта  “  ”   января 2013г.

 

 

 

 

 

Задание принял к выполнению: Черный В.В.

 

Задание выдал  и утвердил: Неежмаков С.В.

 

РЕФЕРАТ

 

Пояснительная записка  к курсовому проекту:  28 стр.,  6 рис., 1прил.,  

5 источников.

 

 

Объект исследования – магистральный конвейер.

Цель работы – проектирование устройства измерения удельной нагрузки на ленту конвейера.

Метод исследования –  логический синтез на основе дискретной схемотехники.

 

На основании исследования технологического объекта, рассмотрения литературных источников, изучения современного состояния элементной базы автоматизации указанного объекта разработаны структурная схема средства измерения. Рассчитаны мультипликативные и аддитивные погрешности и метрологические характеристики прибора. Определены порядок подключения и поверки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СХЕМА, УСТРОЙСТВО, КОНВЕЙЕР, ВЕС, ГРАДУИРОВОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ПОГРЕШНОСТИ, ДАТЧИК, ТЕНЗОРЕЗИСТОР, СУММАТОР.

Содержание

Введение …………………………………………………………………  5                                                                                                 

1 Характеристика и метрологическое описание ленточного конвейера в заданном технологическом процессе …………………………………………6                                                    

2 Выбор контролируемого параметра, определение диапазона его изменения. Разработка технологических и технических требований, требований условий эксплуатации к средству измерения ……………………………….9                                               

3 Анализ существующих методов и средств измерения удельной нагрузки в технологическом процессе ………………………………………10                                                       

4 Выбор метода измерения. Описание его преимуществ и недостатков, физического явления (принципа)………………………………………………12  

5 Разработка структурной схемы измерения. Нахождение уравнения преобразования. Расчет чувствительного элемента первичного измерительного преобразователя (датчика) и средства измерения ………………14            

6 Анализ погрешностей измерения первичного преобразователя (датчика) и средства измерения. Уравнение погрешности ……………………….19

7 Нахождение градуировочной и рабочих характеристик. Оценка метрологических характеристик измерительного преобразователя (датчика) и средства измерения ……………………………………………………………. 21

8 Установка  средства измерения на технологической установке …...22

9 Определение динамических характеристик средства измерения. Работа средства измерения в системе автоматического управления ………..23                        

10 Методы и средства поверки измерительного устройства ………….24             

Выводы ……………………………………………………………………25                 

Перечень ссылок…………………………………………………………26

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Конвейерный транспорт, получивший широкое распространение, как объект управления, который наиболее полно пригоден к автоматизации, является основным средством доставки угля из очистных забоев угольных шахт.

Проведение измерений  – достаточно важная часть технологического процесса. Измерение веса на конвейерах широко применяется для:

управления грузопотоками,учета производительности, экономической оценки процесса, управление эффективностью процесса транспортирования,

В данном курсовом проекте необходимо расчитать устройство измерения удельной нагрузки на ленту конвейера. Данное устройство должно быть пригодным для использования в различных системах автоматического контроля и управления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Характеристика и метрологическое описание Ленточного конвейера в заданном технологическом процессе

 

Современные подземные  конвейерные линии характеризуются  значительной протяжённостью и использованием мощных многодвигательных конвейеров для перевозки грузов и людей, а также наличием нескольких маршрутов. Это сложные объекты автоматизации как с позиции управления ими, так и обеспечения безопасности их эксплуатации. К средствам конвейерного транспорта относятся ленточные, ленточно-цепные, ленточно-канатные, пластинчатые и другие виды конвейеров.

Наибольшее распространение  на угольных шахтах получили ленточные  конвейеры.

Ленточные конвейеры используют для перемещения сыпучих, кусковых и штучных грузов на расстояния большие расстояния. Такие конвейера обычно составляют из отдельных секций. Тяговый и грузонесущий орган - лента, которая движется по стационарным роликоопорам, огибая приводной, натяжной, а иногда и отклоняющие барабаны. Груз перемещается на ленте вместе с ней. В зависимости от типа роликоопор лента имеет плоскую или желобчатую форму, так как на горном предприятии основной задачей является транспортирование сыпучего груза, а именно угля, то применяется лента желобчатой формы, конвейера же с плоской лентой используется преимущественно для перемещения штучных грузов.

 

Рисунок 1.1 – Схема ленточного конвейера

1 — электродвигатель, 2 — редуктор, 3, 5 ведущий и ведомый  барабаны, 4 — лента, 6 натяжное устройство

Роликовый став ленточного конвейера предназначен для поддержания грузовой и порожняковой ветвей конвейерной ленты и для направления ее движения. Роликовый став представляет собой металлоконструкцию, на которой устанавливают роликоопоры. Иногда роликоопоры, поддерживающие грузовую ветвь ленты, прикрепляют к двум параллельно натянутым стальным канатам, которые поддерживаются специальными опорами.

Привод конвейера (приводная  станция) состоит из электродвигателя, редуктора, барабана и соединительных муфт. Загрузку сыпучего груза на ленту производят через направляющий лоток или воронку, а разгрузку - через концевой барабан или при помощи плужкового или барабанного сбрасывателя. Ленточные конвейер имеют высокую эксплуатационную надёжность, обеспечивают производительность от нескольких т/ч до нескольких тысяч т/ч.

Для конвейеров, используемых на горных предприятиях, принят следующий  ряд лент по ширине: 800; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000; 2500; 3000 мм.

Ленточные конвейеры  применяют преимущественно при  подземной добыче полезных ископаемых. Они имеют производительность от 270 до 2300 т/ч при скорости ленты 1,6-З,15 м/с.

На ленточных конвейерах проводят измерение разных параметров.

Для автоматизации управления подземными конвейерами шахт применяют  различные датчики и отдельные  устройства автоматической защиты и блокировки, автоматического измерения, контроля и регулирования того или иного параметра самих средств транспортирования или данного технологического процесса, а также комплектную аппаратуру автоматизации конвейерных линий.

Скорость рабочего органа ленточного конвейера контролируется тахогенераторными датчиками скорости ДКС (УПДС). Датчик представляет собой десятиполюсный синхронный генератор однофазного переменного тока с ротором из постоянного магнита и статором с катушкой, размещенных в пластмассовом корпусе, рычаг которого валиком шарнирно связан со скобой, укрепленной на раме конвейера. Вращение генератору передается приводным резиновым роликом, укрепленным на шарнирном подшипнике. Датчик устанавливают у ленты. Выходное напряжение датчика зависит от частоты вращения ролика и обычно составляет 30-35В.

Существуют также более  современные виды датчиков, основанных на изменении частоты сигнала в зависимости от скорости ленты, так при контроле сигнала по частоте, а не по уровню, наблюдается большая точность измерения, отсутствие помех.

Контроль аварийного схода ленты в сторону осуществляется герконовым датчиком КСЛ-2. Датчик состоит из корпуса с крышкой, гибкого стержня и исполнительного устройства, состоящего из магнитной системы и магнитоуправляемого контакта, который замыкается при отклонении стального наконечника от центрального положения на 60-70 мм под действием сошедшей в сторону ленты.

Контроль температуры приводных барабанов ленточных конвейеров выполняется аппаратом АКТЛ-1, который отключает приводной двигатель при нагреве барабанов выше допустимой температуры (65±10 °С), предотвращая возможное воспламенение ленты при её пробуксовке.

Контроль пробуксовки осуществляется аппаратом АКП. При возникновении пробуксовки ленты от электронного блока поступает сигнал на отключение пускателя конвейера ПВИ.

Контроль нагрузки на ленту осуществляется конвейерными весами.

В основу конструкций  автоматических весов положен принцип  периодического или непрерывного взвешивания. По конструктивному исполнению весового механизма конвейерные весы делятся на механические, электрические, в радиоактивными датчиками, пневматические и гидравлические весы.

Наибольшее распространение  получили электрические весы непрерывного действия. Они разделяются на весы, измеряющие величину суммарного веса материала Q как интеграл от функции q (х), характеризующей изменение погонной нагрузки по длине конвейера, и весы, измеряющие величину суммарного веса материала Q, как интеграл от функции G (t), характеризующей изменение производительности как произведение погонной нагрузки q (t) на скорость V (t) конвейера по времени Т.

Q = C G(t) dt = C q(t) V(t) dt.

Электрические конвейерные  весы состоят из грузоприемного устройства, датчика веса, датчика скорости и регистрирующего устройства.

Грузоприемное устройство весов непрерывного действия для  ленточных конвейеров выполняется  в виде одной роликоопоры или  платформы, имеющей плоскопараллельное или угловое перемещение.

Датчик веса представляет собой элементы из константановой проволоки сечением 0,025-0,035 мм.  Чувствительность тензодатчиков характеризуется их передаточным коэффициентом (т. е. отношением относительного изменения сопротивления к относительной деформации). Степень чувствительности тензодатчиков практически не зависит от величины деформации (в пределах упругих деформаций) и поэтому характеристику тензодатчика можно считать линейной.

Тензодатчики наклеиваются на упругие элементы датчиков веса, которые выполняются в виде колец.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Выбор контролируемого параметра, определение диапазона его изменения. Разработка технологических и технических требований, требований условий эксплуатации к  средству измерения

 

Для анализа работы технологических аппаратов, учета и финансовой деятельности предприятия необходим весовой учет потоков угля. Непрерывное суммирующее взвешивание осуществляется на конвейерных весах.

Расчет будем осуществлять на примере магистрального ленточного конвейера 1Л800

Ленточный конвейер 1Л800. L=500м, Q=330 т/ч, v=1.6 м/с, мощность приводного двигателя P=75 кВт.

Конвейер 1Л800 обладает следующими характеристиками:

  - масса угля на погонном метре ленты при нормальном режиме работы. 

Q – производительность  конвейера,

v – скорость ленты;

q_rmax= 70 (кг) - максимальная масса угля, которая может          поместится на погонном метре ленты q_rmax

 Р_max = (q_rmax + m_ленты + m_ст.) · g = (70 + 20 + 64) · 9,8 = 1500 (Н),

 Р_{max -} максимальный вес одного метра нагруженного конвейера:

m_ленты – масса одного метра ленты,

          m_ст – масса одного метра конвейерного става.

Принимаем Р_max = 1.5 кН.

Данное средство измерения  должно обладать следующими техническими и технологическими характеристиками:

Диапазон измерения  Р = (0 ÷ 1.5) кН, М = (0 ÷ 200) кг.

         Точность измерения ± 1%

3 Анализ существующих методов и средств измерения параметра в технологическом процессе

 

В состав шахтного магистрального ленточного конвейера могут входить: тензометрические, гидравлические, оптические и гамма-электронные весы.

Гидравлические  датчики производятся в виде поршневых цилиндров.  Весовая нагрузка передается через поршень или мембрану на жидкость, находящуюся в рабочей плоскости цилиндра. Давление жидкости в цилиндре может быть зафиксировано манометром.

Весы конвейерные оптические предназначены для измерения веса сыпучих материалов, транспортируемых конвейерами. Весы состоят из оптического модуля и блока видеообработки.

Принцип работы оптических весов . Транспортируемый конвейером материал освещается сверху под углом 45 градусов к продольной оси конвейера узким лучом света, который огибает материал, желоб ленты конвейера и проецируется на матрицу цифровой видеокамеры. Оптическая ось камеры так же располагается под углом 45 градусов к продольной оси конвейера и под углом 90 градусов к плоскости луча света. В качестве луча используется лазер.

В последнее время  получают применение гамма-электронные конвейерные весы для непрерывного взвешивания материалов, транспортируемых ленточными конвейерами, и дозирующие устройства, работа которых основана на учете фотометрического эффекта и радиоактивных излучений. 

Принцип работы тензометрических конвейерных весов основан на том, что измерительный участок конвейерной ленты через две роликоопоры весов передает нагрузку на датчики. Количество роликоопор и датчиков, входящих в состав ГПУ весов позволяет увеличить область взвешивания и достигнуть высокой точности взвешивания

ГПУ состоит из двух опорных балок (2) и двух подвесных балок (3).

Рисунок 3.1. – Схема  установки тензометрических весов.

1 - став конвейера; 2 –  опорные балки; 3 – подвесные балки;

4–тензометрический датчик, 6–датчик скорости ленты,

5 – тензоизмеритель конвейерный и соединительные кабели.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Выбор метода измерения. Описание его преимуществ и недостатков, физического явления

 

Для расчетов в данном курсовом проекте выбираем тензометрические конвейерные весы.

Достоинства и преимущества.

- В конструкции весов применены 4 тензодатчика, расположенных по углам ГПУ в поворотных узлах встройки, что позволяет устанавливать весы на конвейерах с углом наклона до 20°.

- Широкий диапазон производительностей  и типов конвейера

- Датчик скорости ленты крепится к роликоопоре весов или конвейера и приводится во вращение верхней ветвью конвейерной ленты.

- Измерительный участок конвейерной ленты через две роликоопоры весов передаёт нагрузку на датчики. Количество роликоопор и датчиков, входящих в состав ГПУ весов, позволяет увеличить область взвешивания и достигнуть высокой точности взвешивания.

- Грузоприёмное устройство легко монтируется на стан конвейера.

- Весы неприхотливы и удобны в обслуживании.

- Простота транспортировки к месту монтажа (весы поставляются в разобранном виде масса 60-120кг).

- Широкий температурный диапазон эксплуатации (от -30 до +40°С).

Датчики измерительной  системы основаны на тензометрическом эффекте. В датчике веса чувствительным элементом служит упругий элемент балочного типа. Упругие деформации элемента, пропорциональные нагрузке, измеряются при помощи тензорезисторов.

Рисунок 4.1 – Схема  тензорезистивного датчика силы с балочным

 упругим элементом.

1 – упругий элемент, 2 - тензодатчики

Тензометры представляют собой металлические калиброванные проводники малого сечения, плотно соединяемые с контролируемой деталью. При деформации детали проводник также деформируется, растягиваясь или сжимаясь в пределах упругой деформации. Для этой цели тензометр плотно наклеивается на деталь вдоль направления контролируемого напряжения или деформации. При растяжении проводника его сопротивление возрастает, а при сжатии уменьшается. Таким образом, измерителем механического напряжения или деформации контролируемой детали является омическое сопротивление тензометра.

В подавляющем большинстве  случаев тензорезистивные преобразователи  используются в мостовых цепях постоянного  тока. При этом тензорезистор может  быть включен в одно из плеч моста, в два плеча либо мостовая цепь может быть составлена целиком из тензорезистивных преобразователей.

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Разработка структурной схемы измерения. Нахождение уравнения преобразования. Расчет чувствительного элемента первичного измерительного преобразователя (датчика) и средства измерения

 

Рисунок 5.1 – Структурная схема разрабатываемого устройства

Условные обозначения  на схеме:

СР - сумматор

БН – блок нагрузки тензорезистивный преобразователь, сумматор.

Расчет упругого элемента.

Учитывая расположение датчиков (по углам весов) на каждый датчик приходится по ¼ всего веса, т.е. Р = ¼ * 1500 = 375 (Н). Выбираем материал для упругого элемента - сталь ШХ15: упругие элементы повышенной точности для нормальных условий, Е = 210 ГПа, σ_т = 1700 МПа.

Выбираем коэффициент  запаса n_т = 1,75, тогда допускаемое напряжение [σ] = σ_т / n_т = 1700 / 1,75 = 971 (МПа).

Зададимся рядом значений l/h и по формулам

_,

 

 

 

Выбираем b = 13 мм, h = 4,5 мм, l = 85,5 мм.

Связь между приложенной силой  Р и максимальными деформациями от поверхностных напряжений определяется соотношением

                                                                                      ,

где l – длина балки, h – толщина балки, Sс – сечение балки, Е – модуль упругости материала балки, Р – приложенная сила.

 

Расчет тензорезистора.

Выбираем материал тензорезистора константан: коэффициент  тензочувствительности k = 2,2, модуль упругости Е=150 ГПа, удельное сопротивление ρ = 0,5 мкОм/м.

Тензорезистор проволочный  одноэлементный петлевой на бумажной основе ПКБ-30-400: база l = 30 мм, номинальное  сопротивление R = 400 Ом, ползучесть 2,5 %/ч.

Уравнение преобразования тензорезистора:

,

где R – исходное сопротивление тензорезистора, (Ом),

ΔR – изменение сопротивления, вызванное удлинением или сокращением, (Ом) ,

K – постоянная пропорциональности (коэффициент тензочувствительности),

ε – деформация.

В датчике (рис. 4.1) необходимо установить 4 тензорезистора: 2 – для  измерения растяжения/сжатия упругого элемента, 2 – для температурной  компенсации. Тензорезисторы соединяются  между собой в мост Уитсона.

Используем мост по системе 4/4. R1, R3 – тензорезисторы, приклеенные к упругому элементу, R2, R4 – термокомпенсационные. Когда сопротивление измерительных приборов с четырех сторон изменяется на R1 + ΔR1, R2 + ΔR2, R3 + ΔR3 и R4 + ΔR4, соответственно, выходное напряжение моста, U_вых, равно:

                       

где U_pit – напряжение питания моста, U_pit = 10В.

Так как тензорезисторы с четырех  сторон имеют аналогичные технические  характеристики, включая коэффициент  тензочувствительности, а R2, R4 используются только для температурной компенсации, выходное напряжение можно выразить как:

 

где К – коэффициент тензочувствительности,

ε1, ε3 – деформации.

(В)

Сигнал с 4-х датчиков необходимо просуммировать и привести к стандартному виду. Для этого  используем сумматор на операционном усилителе.

ОУ подключен по схеме  инвертирующего сумматора  с коэффициентом усиления Kу = U_вых/U_вх, где U_вых – выходное напряжение на САУ, U_вх – сумма выходных напряжений с 4-х датчиков.

Принимаем U_вых = 10 В – стандартное значение сигнала.

Kу = U_вых/U_вх = 10/U_vuh·4 = 10/4·5,06·10^-5 = 49410.

Выбираем ОУ К140 УД17. Его  характеристики:

- К_у = 150 тыс,

- U_п = 3-18 В,

- е_см = ±0,25мВ,

- Т_ксм = 1,3 мкВ/К,

Рисунок 5.3 – Схема  подключения операционного усилителя.

Расчет операционного  усилителя.

Рассчитаем ток с датчиков, учитывая внутреннее сопротивление моста r = 400*4 = 1600 (Ом), i = U_vuh / r + R, R – R1…R4 = 3кОм.

Тогда суммарный ток  с 4-х датчиков равен

i = 4*(U_vuh / r + R) = 4*(5,06·10^-5 / 1600 + 10000) = 17 (нА).

Входной ток на ОУ не должен превышать 10нА. Выбираем R5 = 7,5 кОм, что обеспечит падение тока до 10нА.

Ку = R7/R5.

R7 = Ку*R5 = 97970 * 7500 = 73 (МОм). Выбираем R7 = 75 МОм из стандартного ряда.

R6 = R5*R7/(R5+R7) = 10 (кОм).

Согласно схеме подключения  ОУ R8 = 100 кОм. 

Учитывая полученные значения деформаций упругого элемента, расчета измерительных цепей и сумматора на ОУ, составим уравнение преобразования данного средства измерения.

U_вых = m · К_уэ · К_тп · К_см,

где m – масса материала на ленте,

К_уэ – коэффициент преобразования приложенной силы в деформацию на упругом элементе,

К_тп – коэффициент преобразования деформации УЭ в напряжение на выходе датчика силы,

К_см – коэффициент преобразования сигнала на сумматоре.

Подставив известные данные в уравнение  получаем:

                       , В,

 

 , В

                         , В.

Уравнение размерности  составляется на основе уравнения преобразования путем подстановки в него размерностей всех его компонентов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Анализ погрешностей измерения первичного преобразователя (датчика) и средства измерения. Уравнение погрешности

 

Качество измерений  характеризуется: точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений. Точность измерительного прибора это - метрологическая характеристика прибора, определяемая погрешностью измерения, в пределах которой можно обеспечить использование данного измерительного прибора.

В метрологии используется понятие "класс точности" прибора или меры. Класс точности средства измерений (ГОСТ 8.401-80) является обобщенной характеристикой средства намерений, определяемой пределами основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения.

Проанализировав уравнение преобразования данного измерительного механизма, величины, входящие в него, можно разделить на 2 группы:

- постоянные (l, h, Sc, g, К, m_ленты, m_ст) – величины, которые не вызовут погрешности или ими можно принебреч,

- изменяемые (Upit, Ky) – величины, вносящие погрешность в измерение.

Как видно из уравнения  преобразования наибольшую погрешность  в измерение вносит операционный усилитель.

Реальные микросхемы операционных усилителей характеризуются  большим количеством параметров. Часть этих параметров можно использовать для определения аддитивных погрешностей, т.е. таких погрешностей, которые не связаны с наличием входного сигнала, а часть - для определения мультипликативных погрешностей, т.е. таких, которые проявляются лишь при наличии входного сигнала. К числу параметров, используемых для расчета аддитивных погрешностей, относится напряжение смещения U_СМ. К числу параметров, используемых для расчета мультипликативных погрешностей, относится коэффициент усиления K.

Мультипликативная погрешность:

Расчет суммарных погрешностей

Мультипликативной:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Нахождение градуировочной и рабочих характеристик. Оценка метрологическ характеристик измерительного датчика и средства измерения

 

Метрологическими показателями и характеристиками измерительных приборов и установок являются: диапазон показаний, диапазон измерений, градировочная характеристика, чувствительность и вариация и др.

Диапазон измерений - область значений измеряемой величины с нормированными допускаемыми погрешностями средства измерений.

В данном приборе диапазон измерений составляет M = (0 ÷ 200) кг.