Характеристика машин для подземных и наземных разработок и их электроприводов

Горнодобывающее оборудование разнообразно по своему функциональному назначению в технологическом процессе и включает в себя как типовое для различных групп, так и специфическое оборудование, характерное только для этой группы. К первому относятся насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, подъемные машины и др.; ко второму — угольные и проходческие комбайны, разнообразные экскаваторы, буровые станки, карьерный транспорт (автомобильный, троллейвозный) и др.
Специфичность заключается: в условиях работы оборудования; как правило, в большой мощности электроприводов и их питании от временных линий электропередачи или автономных источников; в больших динамических нагрузках электроприводов и механизмов; в частой работе механизмов на упор; в необходимости обеспечения высокой надежности.
Для машин и механизмов, применяемых в подземных выработках шахт, при выборе электрооборудования необходимо учитывать наличие пыли, влаги, возможность работы во взрывоопасной атмосфере, ограничение размеров электрооборудования при одновременном требовании повышения прочности.
Добычные и проходческие комбайны применяют для разработки и проведения выработок по породам невысокой прочности, главным образом угля, сланца, калийных солей. Комбайны имеют следующие рабочие части: исполнительный орган, разрушающий горную породу; погрузочное устройство, обеспечивающее перемещение и погрузку отбитого материала на транспортное средство; подающую часть, служащую для перемещения комбайна и подачи исполнительного органа на забой.
Исполнительный орган комбайнов имеет вид барабана или шнека, на котором закрепляются резцы. В качестве исполнительного органа применяют также буровые или отбойно-резцовые коронки. У проходческих комбайнов непрерывного действия исполнительные органы выполнены в виде фрезерных дисков с резцами.
Погрузочное устройство у комбайнов имеет вид скребковой цепи с консольными скребками. Применяют также нагребающие лапы, шнеки, ковши.
Комбайны передвигаются вдоль забоя по раме конвейера, используя для перемещения тяговую цепь, закрепленную в двух концах. При перемещении комбайна цепь проходит по зубцам звездочки подающей части. Применяется также гусеничный механизм перемещения или механизм подачи, выполненный в виде гидравлических домкратов.
Добычные и проходческие комбайны выполняются многодвигательными, т. е. имеют отдельные двигатели для каждого исполнительного органа.
Требования к электрическим приводам комбайнов определяются характером процессов разрушения и отделения горной породы от забоя и ее транспортирования. Разрушение горной породы происходит в результате движения исполнительного органа, снабженного режущим инструментом, со скоростью резания vp и его подачи на забой со скоростью подачи v„. Толщина стружки прямо пропорциональна скорости подачи и обратно пропорциональна скорости резания.
Исследования процесса резания горных пород показали, что для определенных условий существуют оптимальные соотношения скоростей резания и подачи, обеспечивающие минимальные энергетические затраты и минимальный выход мелких фракций, что особенно важно для получения угля высокой сортности. Это характерно не только для угольных комбайнов, но и для других машин, применяемых при добыче полезных ископаемых (роторных и одноковшовых экскаваторов, драг).
Оптимальное соотношение скоростей резания и подачи даже на одном и том же пласте не остается неизменным, так как пласт большей частью неоднороден.
Нагрузка на исполнительном органе комбайна формируется под действием усилий, возникающих при резании полезного ископаемого отдельными резцами, а у комбайнов с барабанным или шнековым исполнительным органом также и в результате транспортирования отбитого полезного ископаемого. Усилия резания зависят от большого числа факторов, многие из которых носят случайный характер (сопротивляемость угля разрушению, характер распределения трещиноватости и твердых включений, неравномерность подачи, вибрации исполнительного органа и отдельных резцов и др.). Вследствие хрупкости массива процесс резания сопровождается сколом отдельных элементов различного размера, что приводит к изменению усилия резания в широких пределах. Таким образом, неоднородность механических свойств и строения горных пород является основной причиной случайного характера изменения усилий при резании.
Составляющие усилия, связанные с транспортированием и погрузкой отбитой горной породы, также носят случайный характер из-за неравномерности материала по размерам, неодинаковой интенсивности его поступления, заштыбовки исполнительного или транспортирующего органа, повторного измельчения уже отбитого материала и др.
Существенно влияет на неравномерность нагрузки исполнительного органа и характер подачи комбайна. Комбайн движется по почве или раме конвейера, поэтому сопротивление движению определяется силами трения, значения которых непостоянны. Это объясняется тем, что у комбайнов с канатной подачей канат представляет собой упругий элемент, у комбайнов с цепной подачей изменение стрелы провеса цепи и ее колебания существенно влияют на усилие подачи (ввиду большого собственного веса цепи).
В момент трогания комбайна с места трение покоя заменяется трением движения, сопротивление движению падает и под действием силы упругости растянутого каната или силы натяжения цепи движение комбайна становится скачкообразным. Натяжение каната или цепи уменьшается, что приводит к остановке комбайна. По мере поворота барабана или звездочки подающей части, канат или цепь снова натягиваются и т.д. По мере перемещения комбайна с уменьшением длины каната или натянутой части цепи подача его делается более равномерной.
У комбайнов с гусеничным механизмом перемещения скорость подачи тоже неравномерна из-за ограниченного числа зубьев ведущей звездочки, неровностей почвы и других причин.
В наземных разработках месторождений используются разнообразные экскаваторы. Для крупных разработок с высокой производительностью используются многоковшовые роторные экскаваторы. Большее распространение имеют одноковшовые экскаваторы.
Современный одноковшовый экскаватор — маневренная и подвижная горная машина, предназначенная для землеройных работ на строительстве и разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. Экскаватор имеет комплект электрифицированных механизмов, рассчитанных на длительную работу в тяжелых условиях. Эти машины при ковше объемом 2,5 м3 и более изготовляют в виде электрических лопат и драглайнов.
Основное отличие между экскаваторами-лопатами и драглайнов заключается в конструктивной связи ковша с рабочим оборудованием и способе экскавации грунта. Ковш лопат соединен с подвижной рукоятью, а ковш драглайнов подвешен на канатах. Драглайны оборудуются длинными направляющими стрелами, а наиболее крупные из них с ковшами объемом 6 м3 и более — шагающим механизмом передвижения.
Для транспортирования полезных ископаемых используют автосамосвалы и троллейвозы, оснащенные тяговыми электроприводами. Мощность тяговых электроприводов такого транспорта может достигать 1... 3 МВт. Распространены тяговые электроприводы, выполненные по схеме «синхронный генератор—выпрямитель—электродвигатель постоянного тока». Вращение синхронного генератора осуществляется от дизельного двигателя.
Электродвигатель совмещается с конструктивными частями колеса и вместе с управляющими средствами выполняется в виде механотронного модуля «мотор-колесо». Основное направление совершенствования тяговых электроприводов — создание электропривода переменного тока по схеме «синхронный генератор—преобразователь частоты—бесконтактный электродвигатель переменного тока».
Для горного оборудования перспективны следующие электроприводы переменного тока:
для насосов и вентиляторов — электропривод по схеме бесконтактного асинхронно-вентильного каскада (при модернизации действующего оборудования) или с асинхронным короткозамк-нутым электродвигателем и частотным управлением;
для комбайнов — электропривод с асинхронным короткозамк-нутым электродвигателем специального исполнения и частотным управлением;
для подъемных машин — электропривод с низкооборотными асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями и преобразователем частоты типа циклоконвертора. Для перспективных многоконтактных подъемных машин — электропривод на базе специального (встроенного) вентильного двигателя переменного тока;
для буровых станков — электропривод с асинхронным корот-козамкнутым электродвигателем и частотным управлением с преобразователем типа ШИМ-инвертора;
для автосамосвалов — электропривод на базе тяговых асинхронных или вентильных электродвигателей по схеме «мотор-колесо» специального торцевого исполнения;
для экскаваторов — электроприводы на базе асинхронного ко-роткозамкнутого электродвигателя с частотным управлением; преобразователь частоты типа ШИМ-инвертора с обеспечением специальных тормозных режимов (активный выпрямитель).
Рассмотрим теперь особенности оборудования, основные типы и параметры электроприводов механизмов, используемых в нефтяной и газовой промышленности.
Основным потребителем электроэнергии в нефтяной и газовой промышленности является оборудование: для разведочного и эксплуатационного бурения нефтяных и газовых скважин (буровые установки); для добычи нефти и газа (насосные и компрессорные установки, электрообезвоживающие и электрообессоли-вающие установки); для транспортирования нефти и газа.
Наиболее сложные и разнообразные системы электропривода в нефтяной и газовой промышленности характерны для буровых установок, выполняющих бурение скважин глубиной от нескольких сот метров до 5...6 тыс. м и более.
Электрооборудование буровой установки размещается на открытой площадке или в неотапливаемых помещениях временного типа (климатические исполнения — У, ХЛ; категории размещения — 1 и 2). Длительность использования основных механизмов в рабочих режимах до 2500 ч в год. Периодически проводятся демонтаж, транспортирование и монтаж оборудования в составе крупных блоков механического оборудования или по-агрегатно.
С целью разведки и освоения нефтяных и газовых месторождений в пределах морских акваторий и на шельфе применяют специализированные стационарные и мобильные буровые установки для морского бурения с автономным электропитанием электроприводов исполнительных механизмов.
В соответствии с международными соглашениями в определенной зоне, находящейся рядом с устьем скважины, на морских буровых установках устанавливают взрывозащищенное электрооборудование. На электрооборудование, обеспечивающее «живучесть» плавучих установок, полностью распространяются правила Морского Регистра, на остальное электрооборудование, обеспечивающее работоспособность технологического оборудования, эти правила распространяются частично (монтаж, заземление, покрытия и т.п.).