В условиях повышенной загрязненности дисперсным слоем глины при откачке загрязненных и агрессивных шахтных вод происходит зарастание плоских электродов, что вызывает не­ обходимость использования усилителей.' Значительное число от­ казов при работе электродных реле уровня вызвано загрязне­ нием датчиков, поэтому необходима их регулярная очистка и пе­ риодическая настройка чувствительности при срабатывании реле. Для повышения надежности работы плоские электроды заменяют стержневыми, дающими при откачке кислотных шахт­ ных вод меньшее число отказов.

Для измерения уровня воды в водосборниках применяются также реле с емкостными датчиками и усилителями иа элек­ тронных лампах или транзисторах. Опыт эксплуатации показал необходимость более широкого использования этих схем с пе­ редачей показаний уровнемера по телефонным проводам на диспетчерский пункт.

Эквивалентное сопротивление в электродных датчиках имеет сложную зависимость от их размеров, удельной электрической проводимости и определяется экспериментально. Электромаг­ нитные реле необходимо выбирать по току срабатывания в за­ висимости от размеров электродов, которые уточняются в про­ цессе наладки автоматизированной водоотливной установки.

Применение радиоактивных уровнемеров с малой интенсив­ ностью излучения и хорошей защитой весьма перспективно. Значительные их преимущества по сравнению с поплавковыми и электродными реле уровня в условиях заглубленных водоот­ ливных установок расширяют область их применения.

6.2. Реле давления

Реле давления являются одним из основных элементов схем автоматического управления водоотливными установками. В этих реле применяются различные чувствительные элементы: уплотненный и неуплотненный поршни, сильфон и обычная пло­ ская мембрана.

Реле давления с уплотненным поршнем и плоской мембра­ ной обеспечивают точность срабатывания гидравлической за­ щиты при изменении давления в водоотливных установках от 1 до 10 МПа. Сильфоны имеют более высокую точность сраба­ тывания по сравнению с пружинными чувствительными эле­ ментами. Однако в реле, работающих в условиях откачки кис­ лотных и загрязненных шахтных вод, сильфоны не получили распространения.

Гибкую мембрану, глухо закрепленную по периметру, ши­ роко применяют в качестве чувствительного элемента для кон­ троля заливки насосов, уровня воды в аккумулирующих баках. Попытки использовать металлические гофрированные мем­ браны не дали положительных результатов вследствие сильной

Статические характеристики. Равномерно действующая на поршень направленная вверх сила Р стремится переместить подвижную систему реле (рис. 6.5). Перемещению поршня в пе­ реходном процессе будут препятствовать упругие силы пружин, силы трения и вес деталей:

Уравнение статики (6.10) позволяет рассчитать прочность деталей прибора и выбрать техническую характеристику пру­ жин.

Сила трения. Одним из важнейших факторов, оказывающих большое влияние на точность срабатывания реле, являются силы трения. Трение является источником нечувствительности и запаздывания, но при этом оно противодействует возникнове­ нию незатухающих колебаний. Исследование сил трения в ра­ бочих органах машин представляет большие трудности. При малых установившихся скоростях силу трения можно предста­ вить линейной функцией скорости [36]

^тр = ^0+

где Ро — сила трения покоя, И; р — коэффициент, характери­ зующий изменение сил трения с изменением скорости; vc — ско­ рость движения системы, м/с.

Результаты исследования трения намаятниковой машине показывают, что коэффициент трения с увеличением давления понижается при переходе поршня от состояния покоя к его движению и зависит от смазки и состояния манжет и цилиндра. Полученные экспериментальные данные о коэффициенте трения для манжет с уплотненным поршнем приведены ниже.

Динамические характеристики. Движение поршня при наличии упругих сил пружины, давления и трения выражается следующим уравнением:

где С\ и С2 — коэффициенты жесткости основной и контактной пружин, Н/м; d%— переменная интегрирования.

После дифференцирования по t уравнение (6.13) примет вид

что справедливо для С?, Р0 и 5 = const.

Изменение давления под поршнем в функции времени для переходного периода имеет экспоненциальный характер и вы­ ражается зависимостью

Анализ уравнения (6.17) и экспериментальные данные поз­ воляют сделать вывод, что точность срабатывания реле дав­ ления и скорость перемещения поршня зависят от характери­ стики пружин реле, сил трения и характера нарастания дав­ ления. Цилиндрические пружины изготовляются из стали марки 50ХФА. Важное значение имеет явление гистерезиса, которое отрицательно сказывается на точности работы прибора.

Исследования с применением оптических методов позволяют установить, что гистерезис первого сжатия пружины превышает гистерезис при последующих деформациях. Это объясняется влиянием изменения упругости и затуханием микропластических деформаций при изменяющихся нагрузках на пружину. Боль­ шое влияние оказывает твердость пружин, стабилизированная при термообработке, которая уменьшает их несовершенство при низких давлениях. В условиях высоких давлений автоматизиро­ ванных водоотливных установок наблюдается рост несовершен­ ства у более твердых пружин.

Тензометрические исследования цилиндров реле давления при нагрузках от 1,6 до 5 МПа показали, что деформация их практически отсутствует.

Исследования реле давления с уплотненным поршнем при различных характеристиках насосов высокого давления и опыт их эксплуатации в условиях мощных водоотливных установок показывают, что при выборе и настройке необходимо руковод­ ствоваться следующими положениями.

1.Оптимальное давление является исходным расчетным параметром. Жесткость пружины С\ выбирают по давлению, развиваемому насосом, с учетом преодоления трения в системе реле. В зависимости от характеристик насосных агрегатов при­ меняют калиброванные пружины на давление от 0,5 до 10 МПа. Расчет пружины осуществляется по обычной методике с после­ дующей экспериментальной проверкой.

2.Коэффициент возврата реле определяется отношением давления, при котором поршень реле возвращается в исходное положение, к манометрическому давлению насоса

где рв — давление, создаваемое пружиной при возврате поршня реле в исходное положение, Па.

3. Экспериментальные значения коэффициента возврата пе­ ред установкой реле давления в насосной проверяют на грузо­ вом манометре путем изменения задатчиком противодействую­ щей силы пружины в зависимости от характеристики насоса. Исследования показали, что коэффициент возврата зависит от характеристики пружины, состояния манжетных уплотнений, коэффициента трения и перепада давления при включении и от­ ключении насоса и изменяется от 0,6 до 0,8.

При установке реле на трубопроводе до обратного клапана значение коэффициента возврата составляет 0,68—0,72. При этом реле контролирует состояние нагнетательного трубопро­ вода, отключая насосный агрегат при его повреждении и не­ исправностях в самом насосе.’ Для спиральных насосов макси­ мальное значение коэффициента возврата на первой ступени насоса составляет 0,68—0,72.

4.Срок службы манжет реле давления определяется содер­ жанием механических примесей в шахтной воде и чистой обра­ ботки поверхности внутри корпуса. Недопустимы всевозмож­ ного рода канавки или отверстия для смазки, отвода воздуха и

т.д. на внутренней поверхности корпуса, так как это вызывает быстрое разрушение уплотнительных манжет.

5.При малых скоростях движения поршня реле и неболь­ шой частоте его перемещения надежное уплотнение можно по­ лучить путем применения специальных резиновых манжет, ко­ торые под действием давления плотно прилегают к стенкам ци­ линдра и не пропускают рабочую жидкость в полость пружины. Поршневые кольца и иеуплотненный поршень в этом случае не

обеспечивают достаточной герметичности при высоких давле­ ниях и не применяются ввиду сложности их изготовления в ус­ ловиях коррозии при откачке кислотных шахтных вод.

1. Значительная разрывная мощность контактов поршневых реле дает возможность не применять усилительные устройства, а изготовление деталей из антикоррозионных материалов по­ зволяет применить их при откачке кислотных шахтных вод. Применение специальных устройств для продувки реле сжатым воздухом или давлением столба воды позволяет использовать реле при откачке загрязненных шахтных вод. Поршневые реле давления длительно находятся в эксплуатации при откачке ки­ слотных и пресных шахтных вод.

Ниже приведена характеристика реле давления.

Техническая характеристика^реле давления

Реле давления с неуплотненным поршнем практически не применяют при автоматизации водоотливных установок из-за трудности настройки и малого сечения трубок (4—5 мм), обу­ словливающего засорение их при откачке загрязненных шахт­ ных вод и отказы в работе. Реле этого типа широко применя­ ются в гидроприводе горных машин рудной и угольной про­ мышленности.

Электроконтактные манометры. Применение электроконтактных манометров усложняет электрическую схему, так как при­ ходится использовать дополнительные промежуточные реле. Кроме того, необходимо устанавливать специально масляные демпферы, поскольку колебания давления в нагнетательном трубопроводе, возникающие при работе насосных агрегатов, мгновенно передаются стрелками 'электроконтактных маномет­ ров, что вызывает ложное отключение насосных агрегатов. Ука­ занные недостатки ограничили область применения этих мано­ метров в схемах автоматизированных водоотливных установок. Выше приведены данные электроконтактиого манометра ЭКМ.-1.

Мембранные реле, в которых чувствительным элементом яв­ ляются различные мембраны, широко применяются в горной промышленности для контроля уровня воды в баках-накопите­ лях, в водосборниках заглубленных насосных камер, для конт­ роля заливки насосов и других целей. На рис. 6.6 изображено реле давление РДВ с круглой резиновой мембраной, которое применяется в комплексах автоматизации водоотливных уста-

Новок УАВ, ЁАВ и К.АВ. Чувствительным элементом рёлб является мембрана. Изменением с помощью малого и большого поршней рабочей поверхности мембраны осуществляется двух­ ступенчатая регулировка пределов контролируемого давления 0,003 и 0,03 МПа. Мембрана воспринимает давление столба воды и передает его через шток на микропереключатель. Пред­ варительный натяг пружины регулируется штоком. Зазор между

бране действует давление, не превышающее 0,5—1 МПа, а при работе насоса давление уве­ личивается до 4—5 МПа.

Столь необычные условия работы вызвали необходимость проведения исследований мембранных чувствительных элемен­ тов в подземных условиях для определения статических и дина­ мических характеристик, установления основных зависимостей при расчетах мягких мембран, закрепленных по периметру, определения области их применения и особенностей использо­ вания. Ниже приведена характеристика некоторых мембранных реле.

Техническая характеристика мембранных реле

дуль упругости, МПа; R\ — радиус мембраны, см; 6' — толщина мембраны, см.

Это выражение справедливо при малых прогибах мембраны, для которых перемещение центра мембраны пропорционально действующему давлению. При возрастании прогиба активность мембраны уменьшается.

Толщина мембраны при глухом способе ее крепления по периметру и при статической нагрузке

МПа; k — коэффициент активности мембраны, зависящий от отношения 0=67£>ь качества и упругости материала мембраны; &i= 1,2-г 1,25 — коэффициент запаса; D\ — диаметр мембраны, мм.

В ряде'работ усилие, передаваемое мембраной, определяют, полагая, что полезно работающая площадь мембраны ограничи­ вается окружностями среднего радиуса опоры штока и радиуса заземления. В этом случае коэффициент чувствительности имеет

Исследования показывают, что при использовании мембраны большого диаметра (120—180 мм) наиболее точное значение коэффициента активности мембраны получается из уравнения (6.22). Коэффициент активности мембраны изменяется от 0,38 до 0,45. Эта зависимость позволяет определить конструктив­ ные размеры мембранного чувствительного элемента и по фор­ муле (6.21) рассчитать толщину резиновой мембраны.

Анализ формул (6.21) и (6.22) позволяет установить, что толщина мембраны и ее активность зависят от способов креп­ ления, качества материала, площади опорного диска для штока реле и других факторов, которые трудно учесть при расчете. Поэтому были проведены длительные испытания мембранных чувствительных элементов в рудничных условиях и определена надежность их работы в соответствии с эксплуатационными данными.

Динамические характеристики. Перемещение мембраны в пе­ реходном процессе определяется уравнением

мембраны, мм2; Ар — разность давлений на стороны мембраны, МПа.

усиления.

Учитывая постоянство давления, создаваемого насосом, ма­ лые массы мембраны и большие демпфирующие усилия, можно принять, что в системе отсутствуют колебательные движения и первый член уравнения равен нулю.

Текущая координата х= х0+Ах, причем х0= const. Поэтому

При этом уравнение движения мембранного чувствитель­ ного элемента примет следующий вид:

Разделим все члены выражения (6.27) на х0, а его правую часть умножим и разделим на р

р*0

мембранного чувствительного элемента, являющееся дифферен­ циальным уравнением первого порядка,

Переходный процесс мембранного элемента определяется ре­ шением уравнения (6.29) относительно

Исследование мембранного чувствительного элемента с по­ мощью оптических методов появоляет определить характер пе­ ремещения мембраны и постоянную времени, значение которой колеблется от 0,6 до 0,9 с при изменении координаты от 0 до 8 мм.

Экспериментальные исследования подтверждают предполо­ жение об отсутствии колебательных движений в системе и мгно­ венном замыкании контактов реле.

На рис. 6.7 показана экспериментальная характеристика мембраны применительно к конструкции реле РЗН с предва­ рительным равномерным растяжением ее давлением сжатого воздуха, снижающим влияние гистерезиса. Явление гистеризиса объясняется неоднородностью материала на различных участ­ ках мембраны, различной деформацией волокон ткани при рас­ тяжении и неодинаковым положением жесткого центра мемб­ раны относительно корпуса. Испытания различных сортов на основе из шелкового полотна и капроновой ткани позволили установить следующее: явление гистерезиса зависит от рабо­ чего хода мембраны и уменьшается пропорциойальйо переме­ щению ее жесткого центра, которое определяется выражением (6.27).

Резиновые мембраны на шелковой основе имеют увеличен­ ное значение гистерезиса по сравнению с резиновыми мембра­ нами на капроновой основе.

Компенсация усилий при возвращении мембраны в равно­ весное состояние с помощью пружин позволяет получить более стабилизированные характеристики и повысить точность ра­ боты мембранного чувствительного элемента.

Температурные изменения отрицательно действуют на ра­ боту мембраны из-за отвердевания резинового покрытия при низких температурах, что необходимо учитывать при эксплу­ атации автоматизированных водоотливных установок на рудни­ ках, работающих в условиях вечной мерзлоты.

Испытания различных сортов резины на основе шелкового полотна позволили получить в рудничных условиях характери­

ются из резинового полотна на капроновой или шелковой ос­ нове. Они хорошо противостоят действию масла, но не выдер­ живают высоких и низких температур. Разрывное усилие для IV типа резинового полотна при расчетах принимается 6— 7,5 МПа. Наилучшие результаты получены при использовании резинового полотна толщиной 1,5—2,5 мм.

2.Повышение чувствительности реле за счет увеличения ди­ аметра мембраны приводит к возрастанию габаритов реле и, следовательно, к большим затруднениям при монтаже блока технологических приборов в подземных условиях.

3.При перемещении мембраны вверх усилие на штоке быстро снижается и при диаметре мембраны 150 мм и измене­ нии длины хода с 10 до 15 мм усилие для замыкания контак­ тов уменьшается на 30—40 %. Падение усилия, передаваемого штоком на контакты, объясняется тем, что с увеличением про­ гиба мембрана деформируется и поглощает часть усилия, пе­ редаваемого со стороны жидкости. При больших перемещениях

мембрана оказывается перегруженной из-за возникновения ра­ диальных напряжений; в ней развиваются остаточные дефор­ мации, и характеристика ее становится .неустойчивой.

6.3. Реле производительности

Основным типом реле производительности, применяемых в автоматизированных водоотливах установках, являются гид­ родинамические (струйные) реле.

Гидродинамические реле контролируют скорость потока жидкости в нагнетательном или всасывающем трубопроводах.

го трубопровода; лопатка, поворачивающаяся под действием динамического

напора струи жидкости во всасывающем трубопроводе.

Общим недостатком рассматриваемых конструкций струй­ ных реле является необходимость их монтажа в трубопроводах высокого или низкого , давления, что. приводит к снижению на­ дежности водоотливной установки.

.Из. многочисленных конструкций. струйных реле рассмотрим реле-.производительности насоса РПН, применяемое в установ­ ках УАВ, ВАВ и КАВ. Реле РПН (рис. 6.8) устанавливается на всасывающем трубопроводе. Чувствительным элементом реле является лопатка (флажок).

При определенной производительности насоса, соответствую­ щей установке срабатывания реле, поток жидкости поворачи­ вает флажок 7 на такой угол, при котором контакты 3 за­ мкнутся. Противодействующая сила создается пружиной 5, которая возвращает флажок в исходное положение при отсут­ ствии струи. Натяжение пружины регулируется специальным винтом 6. Реле имеет простую конструкцию и не требует слож­ ной наладки. На него загрязненные шахтные воды действуют в меньшей степени, чем на струйные реле, работающие по принципу измерения перепада давления.

Техническая характеристика реле РПН

Реле флажкового типа реагирует на снижение производи­ тельности насоса, но не реагирует иа увеличение производи­ тельности, когда возникают утечки в трубопроводе. Реле имеет высокую чувствительность — при уменьшении производитель­ ности на 5—8 % происходит размыкание контактов и отключе­ ние насосного агрегата. Реле флажкового типа широко приме­ няется в угольной промышленности и в меньшей степени — в горнорудной промышленности из-за неприспособленности для работы на кислотных шахтных водах.

6.4. Температурные реле

Температурные реле в водоотливных установках применя­

ухудшает их механические свойства, вызывает изменения гео­ метрической формы и размеров, нарушающие взаимодействие сопрягаемых деталей из-за изменения посадочных натягов, а также зазоров в подшипнике и в уплотняющих устройствах, ухудшает условия смазки. Поэтому для обеспечения нормаль­ ной работы агрегатов необходимо правильно выбрать способ теплового контроля подшипников и обмоток двигателя. В зави­ симости от конструкции подшипников температурные реле уста­ навливаются: в масляной ванне у подшипников с кольцевой смазкой, на отводе масла — у подшипников с принудительной смазкой, во вкладышах подшипников. Для защиты двигате­ лей датчики температурных реле закладываются в обмотку двигателя.

Термосигнализаторы имеют ограниченную область примене­ ния, так как установка их в корпусе подшипника ослабляет его конструкцию, а капиллярные трубки выходят из строя вследствие коррозирования их во влажной атмосфере насосных камер.

Температурные реле с полупроводниковыми термоэлемен­ тами широко применяются в настоящее время благодаря зна­ чительным преимуществам полупроводниковых термоэлементов по сравнению с другими датчиками: высокой температурной чувствительности (температурный коэффициент электрического сопротивления терморезисторов примерно в 10 раз выше, чем у металлов) и большому сопротивлению, доходящему до 105 Ом. Эти преимущества позволяют получить высокую точность из­ мерений температуры при сравнительно несложной аппаратуре. Высокое сопротивление терморезисторов позволяет пренебречь сопротивлением подводящих линий и снизить влияние измене­ ния температуры окружающей среды.

Наибольшие размеры терморезисторов позволяют более кон­ структивно разместить их в корпусе подшипника или обмотке двигателя и обеспечить их долговечность и стабильность пара­ метров.

Температурная зависимость терморезисторов в диапазоне 60—120 °С выражается формулой

туре, Ом; А и В — постоянные, характеризующие полупровод­ ник; Т — абсолютная температура, К.

Для расчета устройств измерения температуры подшипни­ ков или обмоток двигателя необходимо иметь не только тем­ пературную, но и вольт-амперную характеристику терморези­ стора, которая используется для выбора рабочей точки. Рабо­ чая точка выбирается на восходящей ветви характеристики так, чтобы ток не нагревал рабочее тело терморезистора и не вносил температурных искажений.

Основным недостатком терморезисторов является большой разброс параметров отдельных экземпляров, что затрудняет их взаимозаменяемость при точных измерениях, но в условиях работы водоотливных установок не имеет решающего значения.

Терморезисторы используются в измерительном и релей­ ном режимах с применением неравновесных мостовых схем на постоянном токе, когда терморезистор включается в одно из плеч.

На рис. 6.10 приведены схемы контроля температуры под­ шипников насосных агрегатов водоотливных установок, в кото­ рых используются терморезисторы. В схеме (рис. 6.10, а) для

вую схему. В диагональ моста включают милливольтметр PV, шкалу которого градуируют в градусах Цельсия.

Недостатком измерительной схемы является ее сложность вследствие применения феррорезонансного стабилизатора на­ пряжения TS типа СН-50. В релейном режиме терморезисторы работают по схеме, показанной на рис. 6.10, б.

Для защиты подшипников от перегрева применяется также аппаратура с использованием полупроводниковых элементов, состоящая из следующих узлов: термодатчиков ТДП-231, уста-

~tZB в

навливаемых в корпусе подшипника, реле РТ-230 и терморе­ зистора ТР-33, который является чувствительным элементом. Преимуществом этой аппаратуры является возможность исполь­ зования ее для контроля температуры в нескольких точках одной водоотливной установки при параллельном включе­ нии термодатчиков, заложенных во всех контролируемых точ­ ках. Передача тепла к температурному датчику, как показы­ вают эксперименты, происходит по экспоненциальной кривой, что позволяет определить постоянную времени и определить место установки реле при наладке работы автоматизирован­ ной водоотливной установки.

Температурные датчики с легкоплавкими сплавами. Прин­ цип действия этого дачтика основан на свойстве сплава Вуда плавиться при 70 °С. На рис. 6.11 показан термодатчик ТДЛ-2, основанный на этом принципе.

При нагреве контролируемого узла выше 70 °С сплав рас­ плавляется и освобождает пружину 6, которая размыкает кон­ такт 2 реле и поворачивает индикатор, указывающий на сра­ батывание прибора. По истечении 10 мин сплав остывает, и

датчик поворотом ручки 1 устанавливают в исходное положение, В настоящее время датчики ТДЛ-2 применяются главным об­ разом в водоотливных установках для защиты подшипников от перегрева.

Рассмотрим достоинства и недостатки аппаратуры автома­ тического управления, которая прошла длительный период эксплуатации.

Аппаратура, используемая при откачке кислотных и пре­ сных шахтных вод, не вызывает каких-либо изменений в гид­ равлической схеме водоотлив­ ной установки. Компактность и небольшой вес ее обеспе­ чили достаточно надежную работу в рудничных условиях, за исключением откачки особо

усилиями и надежной контакт­

ных ламп и приводов масля­ ных выключателей.

Работоспособными явля­ ются поплавковые и электрод­ ные реле уровня, которые бес­

насосов, имеют малую зону ре­ гулирования и применение их обусловливается выбранным спо­ собом заливки.

Пределы настройки реле давления определяются правиль­ ным подбором пружин, так как получить широкий диапазон настройки реле при одной конструкции пружины не представ­ ляется возможным. Это вызвало бы большую неточность при срабатывании. В связи с этим реле давления изготовляют

снабором пружин, рассчитанных на давление от 0,1 до 5 МПа,

т.е. охватывается большинство водоотливных установок по развиваемому напору.

При конструировании аппаратуры для откачки кислотных и загрязненных шахтных вод необходимо учитывать совмест­ ное действие коррозии, гидроабразивности потока жидкости и высокого давления.

Перспективным в области разработки и конструирования аппаратуры автоматического управления следует считать:

применение бесконтактных индукционных датчиков с маг­ нитными или транзисторными усилителями с непосредствен­ ным выходом на исполнительные реле;

использование для реле давления высокочувствительных упругих элементов, антикоррозионных сильфонов, калиброван­ ных пружин и мембран;

совершенствование мембранных чувствительных элементов путем использования высококачественных сортов резины для гладких мембран с большими допускаемыми напряжениями на разрыв и изгиб;

применение совершенной аппаратуры теплового контроля на полупроводниковых элементах со стабильными характеристи­ ками.

Радиоактивные приборы на водоотливных установках пока используются только для измерения уровня воды в водосбор­ никах заглубленных насосных камер и для контроля за дви­ жением шахтных вод в горных выработках с помощью мече­ ных атомов. Достоинства радиоактивных приборов: высокая чувствительность, быстрота измерения, отсутствие влияния загрязненности и высокого давления шахтных вод на точность показаний.

При эксплуатации аппаратуры автоматизации необходимо учитывать требования безопасности, особенно при использова­ нии измерительной аппаратуры в стесненных горных выработ­ ках с плохой вентиляцией.