gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2020-3-253-265gscience-244Research ArticlePOWER ENGINEERING, AUTOMATION, AND ENERGY PERFORMANCEЭНЕРГЕТИКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬIssues of Multi-Motor Electric Drive Dynamics through the Example of Converter Tilting MechanismВопросы динамики многодвигательного электропривода на примере механизма наклона конвертераБорисенкоВ. Ф.BorisenkoV. F.

г. Донецк

Donetsk

СидоровВ. А.SidorovV. A.

г. Донецк

Donetsk

ЗемлянскийА. И.ZemlyanskyA. I.

г. Донецк

Donetsk

andrewiz@yandex.ruДонецкий национальный технический университетУкраинаDonetsk National Technical UniversityUkraine20201910202053253265Copyright © Borisenko V.F., Sidorov V.A., Zemlyansky A.I., 20202020Борисенко В.Ф., Сидоров В.А., Землянский А.И.Borisenko V.F., Sidorov V.A., Zemlyansky A.I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/244

Many heavy machines and mechanisms of mining and metallurgical industry, for example, basic-oxygen converters (BOCs), are equipped with multi-motor electric drive. Reducing the influence of the disadvantages characteristic of a branched multi-connected system is possible by creating control systems based on mathematical models of the considered electromechanical systems (EMS). The full mathematical model takes into account the number of EMS motors, gear backlashes, elasticity of shafting, the effect of dissipative forces, etc. Disadvantage of this approach is complexity of such models, which leads to high computational costs and time expenditure for their implementation. To analyze dynamic processes arising under acceleration and deceleration conditions of the electromechanical system of the converter tilting mechanism, it is proposed to use a simplified equivalent simulation model, which would take into account changing the EMS natural oscillation frequency for any operation conditions based on process and design features. Based on the simulation model analysis, it was concluded that it is necessary to assess mechanical loads in the system by comparing their current and basis values, as well as taking into account the damping properties of the electric drive. To reduce dynamic loads, it is proposed to form a law of changing the control voltage using an intensity generator, which reduces the risks of occurrence of elastic moments, significantly exceeding those permissible for this class of mechanisms. The results of thermal and vibration diagnostics for assessing malfunctions of key units of the converter tilting mechanism, as well as assessing the system behavior based on the Matlab Simulink model with varying shafting elasticity and normalized gear backlashes, showed significant effect of the latters on the dynamic loads.

Многодвигательным электроприводом оснащены многие тяжелые машины и механизмы горно-металлургической отрасли, например кислородные конвертеры. Уменьшение влияния недостатков, характерных для разветвленной многосвязной системы, возможно за счет создания систем регулирования на основе математических моделей рассматриваемых электромеханических систем (ЭМС). В полной математической модели учитывается число электродвигателей ЭМС, зазоры в передачах, упругости валопроводов, влияние диссипативных сил и т.д. Недостатком такого подхода является сложность таких моделей, что приводит к большим вычислительным и временным затратам при их реализации. Для анализа динамических процессов, возникающих в режимах разгона и торможения электромеханической системы механизма наклона конвертера, предлагается использовать упрощенную эквивалентную расчетную модель, которая учитывала бы изменение собственной частоты колебаний ЭМС для любого режима работы на основе технологических и конструктивных особенностей. На основании анализа расчетной модели сделан вывод о необходимости оценки механических нагрузок в системе методом сравнения их текущих и базовых значений, а также учет демпфирующих свойств электропривода. Для снижения динамических нагрузок предлагается сформировать закон изменения управляющего напряжения с помощью задатчика интенсивности, снижающего риски возникновения упругих моментов, значительно превосходящих допустимые для данного класса механизмов. Результаты термо- и вибродиагностики для оценки неисправностей основных звеньев механизма наклона конвертера, а также оценка поведения системы на базе модели Matlab Simulink при варьировании упругости валопроводов и приведенных зазоров показали существенное влияние последних на динамические нагрузки.

конвертерэлектромеханическая системавалопроводдинамикарасчетная схематермо- и вибродиагностикаconverterelectromechanical systemshaftingdynamicsdesign modelthermal and vibration diagnosticsReferencesКожевников С. Н. Динамика нестационарных процессов в машинах. Киев: Наук. думка; 1986. 228 с.Kozhevnikov S. N. Dynamics of non-stationary processes in machines. Kyiv: Naukova Dumka Publ.; 1986. 228 p. (In Russ.)Большаков В. И., Буцукин В. В. Исследование динамики привода наклона конвертера. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2001;(1):96-101.Bolshakov V. I., Butsukin V. V. Study of dynamics of converter tilt drive. Metallurgical and Mining Industry. 2001;(1):96-101. (In Russ.)Большаков В. И., Буцукин В. В. Влияние неодновременности нагружения ветвей на динамические нагрузки привода конвертера. Защита металлургических машин от поломок: сб. науч. тр. ПГТУ. 2002;6:39-48.Bolshakov V. I., Butsukin V. V. Influence of non-simultaneous loading of branches on dynamic loads of converter drive. Protection of metallurgical machines from breakdowns. PSTU Publ. 2002;6:39-48. (In Russ.)Большаков В. И., Буцукин В. В. Динамические нагрузки разветвленной механической системы привода наклона конвертера. Защита металлургических машин от поломок: сб. науч. тр. ПГТУ. 1997;2:16-24.Bolshakov V. I., Butsukin V. V. Dynamic loads of the branched mechanical system of the converter tilt drive. Protection of metallurgical machines from breakdowns. PSTU Publ. 1997;2:16-24. (In Russ.)Ключев В. И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.: Энергия; 1971. 320 с.Klyuchev V. I. Electric drive dynamic load limitation. Мoscow: Energy Publ.; 1971. 320 p. (In Russ.)Борцов Ю. А., Соколовский Г. Г. Автоматизированный электропривод с упругими связями. 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: Энергоатомиздат; 1992. 288 с.Bortsov Yu. A., Sokolovskiy G. G. Automated electric drive with elastic linkages. 2nd Ed. amended. St-P.: Energoatomizdat Publ.; 1992. 288 p. (In Russ.)Марголин Ш. М. Электрооборудование конвертерных цехов. М.: Металлургия; 1977. 248 с.Margolin Sh. M. Electrical equipment of converter shops. Мoscow: Metallurgiya Publ.; 1977. 248 p. (In Russ.)Cveticanin L. Dynamics of Bodies with Time-Variable Mass. Springer; 2016. 207 p.Cveticanin L. Dynamics of Bodies with Time-Variable Mass. Springer; 2016. 207 p.Li Yejun, Song Meijuan, Zhang Shuang. In: Swinging Analysis of 1# Converter Vessel Tilting Mechanism for Steelmaking Hangzhou [J]. Steel Research. 2009;(37):37-40.Li Yejun, Song Meijuan, Zhang Shuang. In: Swinging Analysis of 1# Converter Vessel Tilting Mechanism for Steelmaking Hangzhou [J]. Steel Research. 2009;(37):37-40.Чиликин М. Г., Ключев В. И., Сандлер А. С. Теория автоматизированного электропривода. Учеб. пособие для вузов. М.: Энергия; 1978. 616 с.Chilikin M. G., Klyuchev V. I., Sandler A. S. Theory of automated electric drive. Manual for graduate students. Мoscow: Energiya Publ.; 1978. 616 p. (In Russ.)Łuczak Dominik. Mathematical model of multi-mass electric drive system with flexible connection. In: 2014 19th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, MMAR. 2014:590-595. DOI: 10.1109/MMAR.2014.6957420Łuczak Dominik. Mathematical model of multi-mass electric drive system with flexible connection. In: 2014 19th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, MMAR. 2014:590–595. DOI: 10.1109/MMAR.2014.6957420Michailov Oleg, Dayan Joshua. Analysis of the Multimass Electromechanical Drive System. IFAC Proceedings. 2004;37(14):389-394. DOI: 10.1016/S1474-6670(17)31135-7Michailov Oleg, Dayan Joshua. Analysis of the Multimass Electromechanical Drive System. IFAC Proceedings. 2004. 37(14):389–394. DOI: 10.1016/S1474-6670(17)31135-7Shahgholian G., Shafaghi P., Zeinali M., Moalem Sepehr. State Space Analysis and Control Design of Two-Mass Resonant System. In: 2009 International Conference on Computer and Electrical Engineering, ICCEE 2009. 2010;(1):97-101. DOI: 10.1109/ICCEE.2009.105Shahgholian G., Shafaghi P., Zeinali M., Moalem Sepehr. State Space Analysis and Control Design of Two-Mass Resonant System. In: 2009 International Conference on Computer and Electrical Engineering, ICCEE 2009. 2010;(1):97–101. DOI: 10.1109/ICCEE.2009.105Gu Y. K. et al. The dynamics analysis of full mounted converter vessel tilting mechanism. Applied Mechanics and Materials. 2012;128(129):1242-1245.Gu Y. K. et al. The dynamics analysis of full mounted converter vessel tilting mechanism. Applied Mechanics and Materials. 2012;128(129):1242–1245.Wenjun Shao, Shihong Guo. Dynamic Simulation of Full Mounted Converter Vessel Tilting Mechanism and the Adjusting of the Buffer Spring. Metallurgical Equipment. 2009;177:13-16.Wenjun Shao, Shihong Guo. Dynamic Simulation of Full Mounted Converter Vessel Tilting Mechanism and the Adjusting of the Buffer Spring. Metallurgical Equipment. 2009;177:13–16.Электромеханические системы автоматизации стационарных установок. Под общ. ред. проф. В. Ф. Борисенко. Машиностроение и техносфера XXI века, сб. тр. МНТК. Донецк: ДонНТУ; 2005. 281 с.Electromechanical automation systems for stationary installations. Engineering and technosphere of the XXI century/under the general editorship of V.F. Borisenko. In: Proceedings of international scientific and technical conference. Sevastopol, September 12-17, 2005. Donetsk: DonNTU Publ.; 2005. 281 p. (In Russ.)Гольдин А. С. Вибрация роторных машин. 2-е изд. испр. М.: Маш.; 2000. 344 с.Goldin A. S. Vibration of rotary machines. 2nd Ed., amended. Мoscow: Мashinostroenie Publ.; 2000. 344 p. (In Russ.)Song-Manguelle J., Schroder S., Geyer T., Ekemb G., Nyobe-Yome J. Prediction of mechanical shaft failures due to pulsating torques of variable-frequency drives. IEEE Transactions on Industry Applications. 2010;46(5):1979-1988.Song-Manguelle J., Schroder S., Geyer T., Ekemb G., Nyobe-Yome J. Prediction of mechanical shaft failures due to pulsating torques of variable-frequency drives. IEEE Transactions on Industry Applications. 2010;46(5):1979-1988.Sarkar N., Ellis R. E., Moore T. N. Backlash detection in geared mechanism: modeling, simulation, and experimentation. Mechanical Systems and Signal Processing. 1997;11(3):391-408.Sarkar N., Ellis R. E., Moore T. N. Backlash detection in geared mechanism: modeling, simulation, and experimentation. Mechanical Systems and Signal Processing. 1997;11(3):391–408.Борисенко В. Ф., Сидоров В. А., Мельник А. А. Подходы к оценке состояния электромеханических систем. Науч. тр. ДонНТУ. Сер.: Электротехника и энергетика. Донецк: ДонНТУ. 2004;79:23-26.Borisenko V. F., Sidorov V. A., Mel’nik A. A. Approaches to assessing the state of electromechanical systems. In: Proceedings of DonNTU, Series: Electrical engineering and power engineering. Donetsk: DonNTU Publ. 2004;79:23-26. (In Russ.)Nebojsa Mitrovic, Vojkan Kostic, Milutin Petronijevic, Borislav Jeftenic. Multi-Motor Drives for Crane Application. Advances in Electrical and Computer Engineering. 2009;9(3):57-62.Nebojsa Mitrovic, Vojkan Kostic, Milutin Petronijevic, Borislav Jeftenic. Multi-Motor Drives for Crane Application. Advances in Electrical and Computer Engineering. 2009;9(3):57-62.Brechting Robert, Prior Robert, Flack Ronald, Barrett Lloyd. Load direction effects on measured static and dynamic operating characteristics of tilting pad journal bearings. Australian Journal of Mechanical Engineering. 2005;2(2):143–150. DOI: 10.1080/14484846.2005.11464488Brechting Robert, Prior Robert, Flack Ronald, Barrett Lloyd. Load direction effects on measured static and dynamic operating characteristics of tilting pad journal bearings. Australian Journal of Mechanical Engineering. 2005;2(2):143–150. DOI: 10.1080/14484846.2005.11464488Costa Cesar, Brandao Iago. Vibration Analysis of Rotary Machines Using Machine Learning Techniques. European Journal of Engineering Research and Science. 2019;4(2):12-16. DOI: 10.24018/ejers.2019.4.2.1128Costa Cesar, Brandao Iago. Vibration Analysis of Rotary Machines Using Machine Learning Techniques. European Journal of Engineering Research and Science. 2019;4(2):12-16. DOI: 10.24018/ejers.2019.4.2.1128Xue S., Howard I. Torsional vibration signal analysis as a diagnostic tool for planetary gear fault detection. Mechanical Systems and Signal Processing. 2018;100:706-728.Xue S., Howard I. Torsional vibration signal analysis as a diagnostic tool for planetary gear fault detection. Mechanical Systems and Signal Processing. 2018;100:706-728.Boulenger A., Pachaud C. Surveillance des machines par analyse des vibrations Du depistage au diagnostic. 2-tirage. Paris: AFNOR; 1998. 213 p.Boulenger A., Pachaud C. Surveillance des machines par analyse des vibrations Du depistage au diagnostic. 2-tirage. Paris: AFNOR; 1998. 213 p.Dong, Hao & Hu, Yahui. Dynamic load-sharing characteristic analysis of face gear power-split gear system based on tooth contact characteristics. AIP Conference Proceedings. 2018;1955(1):030028. DOI: 10.1063/1.5033627Dong, Hao & Hu, Yahui. Dynamic load-sharing characteristic analysis of face gear power-split gear system based on tooth contact characteristics. In: AIP Conference Proceedings. 2018;1955(1):030028. DOI: 10.1063/1.5033627Кравченко В. М., Сидоров В. А. Визуальное диагностирование механического оборудования. Учеб. пособие. Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд»; 2004. 120 с.Kravchenko V. M., Sidorov V. A. Visual diagnostics of mechanical equipment. Manual for graduate students. Donetsk: Yugo-Vostok LTD Publ.; 2004. 120 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.