Rada Programowa Wydawnictw Instytutu EMAG Programme Board of EMAG s Publishing House

Transkrypt

1

2

3 SPIS TREŚCI / CONTENTS 1. Rozwój systemowego monitorowania zagrożeń w podziemnym górnictwie Development of system monitoring of hazards in underground mining 2. Analiza porównawcza napędu ciągnienia górniczego kombajnu ścianowego w przypadku zastosowania silnika asynchronicznego klatkowego oraz bezszczotkowego silnika synchronicznego o magnesach trwałych Comparative analysis of the cutter loader hauling drive with an asynchronous squirrel-cage motor and with a synchronous brushless permanent-magnet motor 3. Skomputeryzowany system weryfikacji pracy przenośników taśmowych Computer AIDED system for verification of belt conveyors 4. Wpływ zastosowania zmodyfikowanej ochrony typu EPS-98 na stan nagrzania złącza stykowego szyn płaskich podczas przepływu prądów zakłóceniowych The effect of EPS-98 modified protection on the heating condition of flat bus bar joints under fault current conditions 3 dr hab. inż. Stanisław Trenczek dr inż. Jerzy Mróz dr inż. Zdzisław Krzystanek dr inż. Zbigniew Isakow dr inż. Marcin Małachowski mgr inż. Krzysztof Oset 20 dr inż. Andrzej Dzikowski mgr inż. Marek Hefczyc mgr inż. Jerzy Keller 37 Gábor Ladányi PhD, associate professor Ervin Nagy 46 dr inż. Mirosław Pawłot Rada Programowa Wydawnictw Instytutu EMAG Programme Board of EMAG s Publishing House Przewodniczący Rady (Chairman of the Board): prof. dr hab. inż. Stanisław Cierpisz, Instytut EMAG Sekretarz Rady (Secretary of the Board): dr hab. inż. Stanisław Trenczek, prof. nadzw. Instytutu EMAG Członkowie (Members): mgr inż. Marek Chagowski, Lubelski Węgiel Bogdanka S.A.; dr hab. inż. Piotr Czaja, prof. nadzw. AGH; prof. dr hab. inż. Marian Dolipski, Politechnika Śląska; prof. dr hab. inż. Józef Dubiński, Główny Instytut Górnictwa; prof. dr hab. inż. Monika Hardygóra, CUPRUM; prof. dr hab. inż. Marek Jaszczuk, Politechnika Śląska; dr hab. inż. Andrzej Kwiecień, prof. nadzw. Politechniki Śląskiej; prof. dr hab. inż. Stanisław Kozielski, Politechnika Śląska; prof. dr hab. inż. Bogdan Miedziński, Politechnika Wrocławska; dr inż. Roman Pilorz, doc. Politechniki Śląskiej; dr hab. inż. Janusz Reś, prof. nadzw. AGH; prof. dr hab. inż. Wacław Trutwin, Instytut EMAG; prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski, Instytut Mechaniki Górotworu PAN; prof. dr hab. inż. Andrzej Zorychta, AGH Komitet Redakcyjny Editorial Board Redaktor Naczelny (Editor-in-Chief): dr inż. Piotr Wojtas Zastępca redaktora naczelnego (Deputy Editor in Chief): dr hab. inż. Stanisław Trenczek Sekretarz redakcji (Managing Editor): mgr Waldemar Cichoń Redaktorzy tematyczni (Feature editors): dr inż. Włodzimierz Boroń (Innowacyjność w technice, Organizacja i zarządzanie), (Innovation in technology, Organization and management), prof. dr hab. inż. Marek Jaszczuk (Automatyka, Procesy technologiczne), (Automation, Technological processes) dr hab. inż. Janusz Reś, prof. nadzw. AGH (Mechanika), (Mechanics), dr hab. inż. Stanisław Trenczek (Aerologia, Zagrożenia naturalne i bezpieczeństwo), (Aerology, Natural hazards and safety), prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski (Telekomunikacja, Informatyka), (Telecommunications, Computer science) dr hab. inż. Marian Wójcik, prof. nadzw. AGH (Energoelektronika, Ekologia i ochrona środowiska), (Power electronics, Ecology and environmental protection) Redaktor językowy (Proofreading): dr Mariusz Pleszak Adres Redakcji (Address of the Editor's Office): ul. Leopolda 31, Katowice, tel , fax: , miag@emag.pl, Nakład: 180 egz.

4 dr hab. inż. STANISŁAW TRENCZEK dr inż. JERZY MRÓZ dr inż. ZDZISŁAW KRZYSTANEK dr inż. ZBIGNIEW ISAKOW dr inż. MARCIN MAŁACHOWSKI mgr inż. KRZYSZTOF OSET Instytut Technik Innowacyjnych EMAG Rozwój systemowego monitorowania zagrożeń w podziemnym górnictwie Development of system monitoring of hazards in underground mining W artykule przypomniano wpływ na poziom bezpieczeństwa w danym rejonie eksploatacyjnym takich współwystępujących zagrożeń, jak: pożary endogeniczne, zagrożenia metanowe, klimatyczne, tąpania oraz wybuchy pyłu węglowego. Scharakteryzowano możliwe zagrożenia pod względem dynamiki skutków ich wystąpienia, co pozwoliło wyróżnić grupy zagrożeń o charakterze biernym, w tym jawne i utajone, oraz dynamicznym. Na tle dotychczas realizowanych zakresów monitorowania zagrożeń przedstawiono nowe zakresy pyłometrię, barometrię oraz termohigrometrię jako najnowsze możliwości funkcjonalne systemów monitorowania. Omówiono także nowe możliwości doraźnego monitorowania górotworu w celu wykrywania ewentualnych możliwości wystąpienia niebezpiecznych zjawisk gazogeodynamicznych. The article describes the influence of the associated hazards of spontaneous fires, of fires caused by methane ignition, of climatic bumps and of coal dust explosion on the safety levels in specific exploitation areas. Potential hazards are characterized from the point of view of the dynamics of the consequences of their occurrence, which results in dividing them into two groups: those passive (including open and hidden hazards) and those dynamic. New directions - monitoring of dust, barometry, thermohigrometry i.e. new functionalities of monitoring systems are presented against the hitherto prevailing monitoring spectrum. The article presents also new solutions in the strata monitoring used for prediction of potential occurrence of hazardous gas- and geodynamical events. WPROWADZENIE INTRODUCTION Wiele tragicznych w skutkach zdarzeń zaistniałych w ostatnich kilkudziesięciu latach w polskich kopalniach potwierdza fakt, że każde zagrożenie, nawet występujące pojedynczo, może stanowić niebezpieczeństwo dla załogi, natomiast współwystępowanie dwu lub kilku zagrożeń, takich jak zagrożenia tąpa- Many tragic events that occurred in the last several dozen years in Polish mines confirm the fact that each hazard, even in case of its separate occurrence, can constitute a severe danger for human life, moreover, a coincidence of two or several hazards, such as rock bursts, too high a methane concentration, fire, co-

5 4 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA niami, metanowe, pożarowe, wybuchem pyłu węglowego i klimatyczne, w znacznym stopniu podnosi poziom niebezpieczeństwa. Coraz głębiej prowadzona eksploatacja pokładów węgla kamiennego powoduje wzrost liczby robót wybierkowych dokonywanych w warunkach współwystępowania zagrożeń, przy czym spośród wymienionych czynników podwyższonego ryzyka zagrożenie metanowe ma największe znaczenie z kilku powodów. Po pierwsze dlatego, że zapłon metanu może zostać zainicjowany na kilka różnych sposobów jego przyczyną mogą być pożary endogeniczne i tąpania. Po drugie zaś zapłon metanu może spowodować wybuch pyłu węglowego lub zapalenie węgla (w szczególnych przypadkach także innego materiału palnego) [6, 8]. Fakt, że eksploatacja pokładów węgla jest działalnością o wysokim ryzyku, sprawia, iż jednym z ważniejszych zadań staje się monitorowanie towarzyszących jej zagrożeń. Monitoring prowadzony w oparciu o aktualne dane pozwala wskazywać rzeczywisty poziom zagrożenia, nierzadko różniący się od wynikającego z prognozy, dzięki czemu podnosi poziom bezpieczeństwa pracowników i jest niezwykle ważny dla prawidłowego funkcjonowania zakładu górniczego. 1. SPECYFIKA ZAGROŻEŃ NATURALNYCH al dust explosion and climatic hazard reduces the safety level significantly. The fact that coal is extracted from deeper and deeper seams results in a growing number of extraction works that are carried out under associated hazards, the most significant of which is methane hazard. First of all, methane ignition can be started in several ways it can be caused by spontaneous fires and rock bumps. Secondly, methane ignition can cause coal dust explosion or coal ignition (in some cases also ignition of other flammable materials) [6, 8]. Due to the fact that extraction of coal seams belong to high risk activities, monitoring of possible hazards cannot be overestimated. Monitoring that bases on current data makes it possible to indicate other hazard level than in case of monitoring basing on prognosis and, as a result, increases the safety level of workers and has a crucial importance for the proper operation of all mining plants. 1. SPECIFIC PROPERTIES OF NATURAL HAZARDS W nowym prawie geologicznym i górniczym [14] wprowadzone zostały zmiany w kwestii czynników, które zalicza się do zagrożeń występujących w kopalniach węgla kamiennego. Oprócz takich zagrożeń, jak: tąpania, wybuch metanu, wybuch pyłu węglowego, wyrzut gazów i skał, radiacyjne i wodne wprowadzono również zagrożenie klimatyczne. Zagrożenie działaniem pyłów szkodliwych dla zdrowia nie będzie zaliczane do podstawowych zagrożeń tylko klasyfikowane do poszczególnych poziomów zagrożenia, podobnie jak zagrożenie pożarami endogenicznymi. Kolejna zmiana w prawie polega na tym, że zaliczanie pokładu węgla, jego części lub wyrobisk do odpowiedniej kategorii, stopnia i klasy w większości zagrożeń dokonywane wcześniej przez organ nadzoru górniczego obecnie dla wszystkich zagrożeń wpisane zostało w zakres obowiązków kierownika ruchu zakładu górniczego. Natomiast sama zasada wyodrębniania zagrożeń nie uległa zmianie. Zagrożenia naturalne posiadają pewne charakterystyczne cechy, które stanowią podstawę ich kategoryzowania. Można je różnicować ze względu na tempo rozwoju, określając jako: bierne, pozwalające na dłuższą obserwację zachodzących zmian, a w tym: The new geological and mining law [14] includes changes in the enumeration of factors classified as hazards existing in hard coal mines. Apart from hazards like: the rock bumps, methane explosions, coal dust explosions, outbursts of gas and rock, radiation and water hazards another type i.e. the climatic hazard was introduced. The hazard related to harmful dusts impact will not be subject to assignation, it will only be classified to individual levels of hazard, just like in case of the hazard of spontaneous fires. Another change in law consists in the fact that assignation of coal seams, their parts or mine workings to a corresponding category, grade or class, which in most of the cases was performed by mining supervision authorities will now, for all types of hazards, belong to the duties of maintenance officers of mining plants. On the other hand, the general rule how to differentiate hazards will not change. Natural hazards have some properties which constitute a basis of hazard classifications. All hazards can be differentiated basing on the speed of their development, such classification encompasses: open hazards, when occurring changes can be monitored in a long time horizon, including:

6 Nr 11(501) LISTOPAD jawne zagrożenia pożarami endogenicznymi i klimatyczne, utajone, których skutki dla zdrowia występują przy dłuższej ekspozycji pracownika na działanie czynników szkodliwych zagrożenia działaniem pyłów szkodliwych dla zdrowia i radiacyjne, dynamiczne, charakteryzujące się skokowymi zmianami po wystąpieniu objawów zagrożeń: tąpaniami, metanowego, wybuchem pyłu węglowego, wyrzutem gazów i skał, wodnego, pożarami egzogenicznymi. Innego podziału zagrożeń dokonuje się w związku z przewidywalnością poziomu ich wstępowania i na tej podstawie można wyróżnić zagrożenia: o stosunkowo łatwo przewidywalnym poziomie tj. zagrożenia: wybuchem pyłu węglowego, działaniem pyłów szkodliwych dla zdrowia, wodne, radiacyjne naturalnymi substancjami promieniotwórczymi, klimatyczne, o średnio przewidywalnym poziomie tj. zagrożenia: metanowe, pożarami endogenicznymi, o trudno przewidywalnym poziomie tj. zagrożenia: tąpaniami, wyrzutami gazów i skał. Można też wyróżnić trzy grupy zagrożeń, wydzielone ze względu na prawdopodobieństwo skali wystąpienia zdarzeń i wypadków: bez ofiar śmiertelnych tj. zagrożenia: działaniem pyłów szkodliwych dla zdrowia, radiacyjne, z kilkoma ofiarami śmiertelnymi zagrożenia: tąpaniami, pożarowe i klimatyczne, o rozmiarach katastrofy, z kilkunastoma, a nawet kilkudziesięcioma ofiarami śmiertelnymi w przypadku zagrożeń: metanowego, wybuchem pyłu węglowego, wyrzutami gazów i skał oraz wodnego. evident hazards hazards of spontaneous fires and climatic hazards, hidden hazards, which have an impact on health in case of a longer exposition to harmful agents hazard of harmful dusts impact and radiation hazards, dynamic hazards when sudden fluctuating changes can be monitored once an event related to the following hazards has taken place: hazard of rock bumps, methane hazard, coal dust explosion hazard, hazard of rock and gas outburst, hazard of exogenous fires and water hazard. Another hazard classification can be performed basing on predictability of hazard intensity, such classification encompasses: hazards, the intensity of which can be relatively easily predicted i.e. coal dust explosion hazard, harmful dusts impact hazard, water hazard, radiation hazard related to natural radioactive materials, climatic hazards, hazards with medium predictable intensity i.e. methane hazards, spontaneous fire hazard, hazard the intensity of which can be predicted with difficulties i.e. rock bump hazard, hazard of gas and rock outburst. One can also classify three types of hazards, basing on the most probable scale of occurring events and their consequences: with no fatalities i.e. hazard related to harmful dusts impact, radiation and climatic hazards, with several fatalities rock bump and fire hazards, disaster with over ten or even several dozen of fatalities methane hazards, coal dust explosion hazard, hazard of gas or rock outburst and water hazards. 2. DOTYCHCZASOWE ZAKRESY MONITOROWANIA ZAGROŻEŃ 2. HITHERTO PREVAILING SPECTRUM OF HAZARD MONITORING Już tylko tych kilka podanych wcześniej opisów zagrożeń naturalnych pokazuje, jak duże jest ich znaczenie w procesie zapewnienia bezpieczeństwa pracy, dlatego też od lat nakłada się na przedsiębiorcę pewne obowiązki z nimi związane. Aktualnie przepisy stanowią (art. 117 [14]), iż przedsiębiorca jest obowiązany rozpoznawać zagrożenia związane z ruchem zakładu górniczego i podejmować środki zmierzające do zapobiegania i usuwania tych zagrożeń, a także posiadać odpowiednie środki materialne i techniczne oraz służby ruchu zapewniające bezpieczeństwo pracowników i ruchu zakładu górniczego. Z pomocą A few characteristics of natural hazards described above are sufficient to affirm how strongly they affect the process of occupational safety assurance. That is why some obligations related to the occupational safety and health have been for years imposed on entrepreneurs. Nowadays the mining regulations (Art. 117 [4]) oblige the entrepreneur to recognize all hazards related to the mining plant operation, to take precautions to prevent and to eliminate these hazards as well as to possess suitable material and technical means and to employ maintenance personnel to ensure safety of the miners and of the plant operation.

7 6 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA w wypełnianiu tego obowiązku przychodzą od zawsze nauka i technika. Postęp techniczny oraz analiza przyczyn i skutków wypadków górniczych wpływają na stałe poszerzanie wiedzy o występujących zagrożeniach, udoskonalanie przepisów regulujących prowadzenie ruchu zakładu górniczego, unowocześnianie maszyn i urządzeń pod kątem bezpieczeństwa użytkowania oraz wprowadzanie coraz efektywniejszych technologii robót górniczych, organizacji prac, a także odpowiedniego sprzętu kontrolno-pomiarowego zarówno do pomiarów doraźnych, jak i stałego monitoringu [13, 7]. Od początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku narastał, wspomniany wcześniej, problem zagrożeń skojarzonych [4], z powodu którego zwiększało się prawdopodobieństwo zaistnienia stanów awaryjnych i krytycznych w ruchu zakładu górniczego. Nieodzownym dla bezpieczeństwa załogi stało się więc odpowiednie zarządzanie informacjami o poziomach zagrożeń w połączeniu z kontrolą procesów technologicznych. Dało to początek dyspozytorskiemu nadzorowi nad procesami technologicznymi i bezpieczeństwem załogi, który umożliwiał między innymi wizualizację zmian występujących w zaprogramowanych i kontrolowanych przez system procesach za pomocą dynamicznej tablicy synoptycznej. Równoczesny wzrost znaczenia kontroli poziomu zagrożeń skojarzonych spowodował, że obok dyspozytora ruchu ważną rolę odgrywali dyspozytor metanometrii i dyspozytor kopalnianej stacji tąpań, którzy nadzorowali coraz to nowsze systemy kontroli. Niezbędne stało się zintegrowanie istniejących w kopalni podsystemów w jeden logicznie powiązany system nadzoru dyspozytorskiego z wielopoziomową strukturą monitorowania procesu wydobywczego i bezpieczeństwa (SD2000). Jest to system otwarty, umożliwiający przyłączenie i integrację nowych, kolejnych podsystemów [12]. Przykładem może być opracowany w 2006 roku system SMP-NT/A, który stanowi kompleksowe rozwiązanie problemu monitorowania parametrów bezpieczeństwa i produkcji w zakładach. W skład systemu (rys. 1) wchodzą urządzenia stacyjne (powierzchniowe), urządzenia obiektowe (dołowe), urządzenia końcowe (czujniki analogowe i dwustanowe) oraz niezbędna do zarządzania bezpieczeństwem i produkcją zakładu górniczego infrastruktura informatyczna. Urządzenia dołowe systemu umożliwiają prowadzenie ciągłej kontroli parametrów środowiska kopalnianego, a w szczególności obejmują takie zakresy, jak: Both science and engineering have always strongly supported fulfillment of safety requirements. Technical development and analysis of causes and consequences of mining accidents contribute to the continuous widening of the knowledge about existing hazards, to improvement of mining regulations on plant maintenance, to modernization of mining equipment from the point of view of operational safety and to implementation of some more and more effective technologies in mining and organization of works, as well as to application of a proper control and measurement equipment used for periodical and continuous monitoring [13, 7]. Since the beginning of the nineties of the 20th century the problem of associated hazards resulting in increased probability of emergency and critical situations during mining plant operation has been growing [4]. Proper management of information on hazard levels and control over technological processes have become indispensable for occupational safety. This has initiated development of supervisory control over technological processes and personnel safety, which, among others, has made it possible to visualize all changes in processes programmed and controlled by the system in form of a dynamic synoptic table. At the same time growing importance of the control of the level of associated hazards resulted in appearance, apart from a mine maintenance officer, of a gas monitoring system officer and a rock-bump control officer, responsible for the recently developed systems. Subsystems already existing in mines had to be integrated in one logically interrelated mine control system with a multilevel structure which would make it possible to monitor the mining process and the safety issues (SD2000). The described system has an open character, which means, that new subsystems can be linked to it and integrated [12]. The system SMP-NT/A developed in 2006 constitutes a complex solution to the problem of monitoring of safety and production parameters in industrial plants. The system encompasses (Fig.1) station equipment (surface part), object equipment, terminal units (analogue and bistable sensors) and a software infrastructure necessary for the safety and production management in mining plants. The underground units of the system ensure continuous monitoring of parameters of mine atmosphere, in particular they cover the following areas:

8 Nr 11(501) LISTOPAD Rys.1. Schemat poglądowy systemu SMP-NT/A [12] Fig. 1. Structure of the system SMP-NT/A [12] Powierzchnia Surface part, Dół Underground part, Sieć ogólnokopalniana Mine cable network, Centralna baza danych Central data base, Stanowisko dyspozytorskie Mine control post, Serwer lustrzany Mirror server, Centrale telemetryczne Central telemetric units, System alarmowo-rozgłoszeniowy Alarm broadcasting system, Systemy geofizyczne Geophysical systems, Linie zasilająco-transmisyjne Supply-transmission lines, Urządzenia o działaniu cyklicznym Cyclic operation units, Urządzenia obiektowe i końcowe Object and terminal units, Metanomierze serii MM MM series sensors of methane, Centrale dołowe underground central units, Czujniki analogowe i dwustanowe Analoque and bistable sensors pomiar parametrów fizycznych i składu chemicznego powietrza monitorowanie zagrożeń aerologicznych, kontrola stanu i parametrów pracy urządzeń wentylacyjnych, kontrola sejsmoakustyczna stanu naprężeń górotworu, kontrola sejsmiczna wstrząsów górotworu, measurement of physical parameters and chemical composition of the air monitoring of aerological hazards, monitoring of ventilation equipment status and its operation parameters, seismoacoustic monitoring of stresses in the strata, seismic control of rock bumps,

9 8 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA kontrola stanu oraz parametrów pracy maszyn i urządzeń ciągów technologicznych, realizacja algorytmów dwustanowego sterowania maszyn i urządzeń dołowych, w tym automatycznego wyłączania zasilania w przypadkach zagrożenia wybuchem. W podziemnej części systemu stosuje się wyłącznie urządzenia iskrobezpieczne, przystosowane do zdalnego zasilania z obwodów liniowych części stacyjnej. Cecha ta ma szczególne znaczenie w przypadku kopalń o wysokim poziomie zagrożeń naturalnych, gdyż umożliwia zachowanie ciągłego monitoringu środowiska w każdych warunkach, niezależnie od stanu dołowej sieci elektroenergetycznej. Zarówno część pomiarowo-wykonawcza (telemetryczna), jak i infrastruktura informatyczna (dyspozytorska) mają konstrukcję modułową, co oznacza, że system może być konfigurowany stosownie do wielkości monitorowanego obiektu i funkcji, jakich użytkownik w danym momencie oczekuje. W kopalniach eksploatujących pokłady zagrożone tąpaniami oraz zagrożone wyrzutami metanu i skał szczególnie istotną rolę odgrywają kontrole sejsmoakustyczne i sejsmiczne [2, 3]. Jednym z nich jest system sejsmoakustyczny ARES-5/E, którego zadaniem jest przetwarzanie przy pomocy geofonowych sond pomiarowych (mocowanych na kotwach w ociosie chodników przygotowawczych) prędkości drgań mechanicznych górotworu na postać sygnałów elektrycznych, a następnie po wzmocnieniu i filtracji w nadajnikach przesyłanie tych sygnałów na powierzchnię do kopalnianej Stacji Geofizyki za pośrednictwem telekomunikacyjnej sieci kablowej oraz układów odbiorczych stacji. Z kolei drugi z systemów system sejsmiczny ARAMIS M/E (z cyfrową transmisją sygnałów) umożliwia lokalizację wstrząsów zaistniałych w rejonie kopalni, określanie ich energii oraz ocenę zagrożenia tąpaniami metodami sejsmologii. Duża dynamika rejestracji (110 db), pasmo rejestrowanych częstotliwości (0-150 Hz) oraz odporność cyfrowej transmisji na zakłócenia umożliwia prawidłową rejestrację zarówno słabych zjawisk sejsmicznych od 10 2 J, jak i zjawisk o dużej energii oraz identyfikację charakterystycznych faz przebiegów sejsmicznych. W zależności od rozległości obiektu system wykorzystuje jako czujniki sejsmometry lub opcjonalnie geofony niskoczęstotliwościowe. Umożliwia on ciągłą rejestrację sygnałów sejsmicznych w serwerze rejestrującym. Systemowe i kompleksowe monitorowanie zagrożeń skojarzonych zapewnia cyfrową obróbkę sygnałów i komputerową ich interpretację, co następuje w powierzchniowej części systemu. Struktura systemu jest ściśle podporządkowana wymaganiom, jakie stawiają przepisy i dyrektywy. W szczególności: monitoring of status and operation parameters of machines and equipment belonging to technological lines, realization of binary algorithms of control of underground machines and equipment, including automatic power shutdowns under explosion hazard. Only intrinsically safe devices can be applied in the underground part of the system. The devices must be adapted for power supply from linear circuits of the station part. This feature is particularly important in case of mines with a high level of natural hazards as it makes continuous monitoring of environment possible under all circumstances, independently from the condition of the underground power grid. Both the measuring and executing part (the telemetric part) and the IT infrastructure (mine control) have a modular construction, which means that the system can be configured accordingly to the size of the monitored object and to the functions required by the user. In mines which extract coal from seams that are rock bump or methane and rock outburst hazardous seismoacoustic and seismic control is especially important [2, 3]. The main function of the ARES-5/E system is to process velocity of mechanical vibrations using geophone measurement probes (fixed on anchor plates on the walls of a development gallery) into electrical signals, and later, once the signals are filtered and reinforced, to transfer them to the mine station of geophysics on the surface via telecommunication cable network and via receiver system of the station. On the other hand, the seismic system ARAMIS M/E (with digital signal transmission) is used for determination of bumps location in mine area, for determination of their energy and for analysis of rock bump hazards basing on seismological methodology. Big dynamics of registration (110 db), the band of registered frequencies (0-150 Hz) and resistance of the digital data transfer against interferences make proper registration of both weak (starting from 10 2 J) and high-energy seismic events as well as identification of specific phases of seismic processes possible. Depending on the object size the system uses as sensors either seismometers or else lowfrequency geophones. The system provides for continuous registration of seismic signals in a registration server. System and complex monitoring of associate hazards ensures digital processing and computer analysis of signals which is performed by the surface part of the system. The structure conforms strictly with the requirements included in legally binding regulations and directives. In particular:

10 Nr 11(501) LISTOPAD zapewnia realizację przyjętego w górnictwie hierarchicznego układu zarządzania produkcją i bezpieczeństwem, umożliwia zdalne zasilanie z urządzeń dołowych z powierzchni, co zapewnia ich normalne działanie w każdych warunkach, umożliwia realizację wymaganych przepisami zadań wizualizacji danych w punkcie dyspozytorskim, archiwizacji i raportowania danych pomiarowych i zdarzeń oraz sterowania dołowymi urządzeniami zasilającymi i sygnalizacyjnymi. Ponadto umożliwia też: automatyczne powiadamianie załóg pracujących w rejonach o zagrażającym im niebezpieczeństwie, integrację z systemami geofizycznymi dla umożliwienia realizacji automatycznych wyprzedzających wyłączeń energii elektrycznej w rejonach, w których wystąpił wstrząs o energii mogącej spowodować gwałtowny wypływ metanu, współpracę poprzez powierzchniową sieć informatyczną z innymi pracującymi w zakładach górniczych systemami akwizycji i wizualizacji. Znaczenia systemowego monitorowania [9] nie da się przecenić, jednakże zazwyczaj ogranicza się ono do pomiarów tych parametrów, których kontrola jest nakazana przepisami prawa. Istnieją już jednak rozwiązania umożliwiające monitorowanie nowych obszarów. the system ensures realization of a hierarchic system for management of production and safety which is customary in the mining industry, the systems make it possible to power supply the underground devices from the surface, which ensures their normal operation under all circumstances, the system guaranties the following functions required by corresponding regulations: visualization of data in the mine control room, data archiving and reporting of measurement data and events, control over underground power and signaling devices. Furthermore it secures: automatic notification of the personnel working in hazardous area about occurring hazards, integration with geophysical systems in order to guarantee automatic preventive power shutdowns in an area, in which a strong bump, which could possibly be resulting in a sudden methane outburst, has taken place. cooperation via a surface IT network with other systems of data acquisition and visualization that operate in the mine. The importance of a systems monitoring [9] cannot be overestimated, however, usually it only covers monitoring of these parameters, the monitoring of which is required by the law. Yet, there are solutions, that make it possible to monitor also new areas. 3. NOWE ZAKRESY SYSTEMOWEGO MONITOROWANIA ZAGROŻEŃ 3. NEW AREAS IN SYSTEM MONITORING OF HAZARDS 3.1. Monitorowanie zagrożeń związanych z pyłem Badania intensywności zapylenia powietrza kopalnianego prowadzone były w Instytucie EMAG przez kilkunaście lat. Pozwoliło to zbudować i sprawdzić funkcjonalność przyrządu pomiarowego mierzącego wielkość zapylenia oraz dokonać jego modernizacji. Z kolei badania in situ oraz dokonanie odpowiedniej interpretacji wyników pozwoliły wykorzystać je do właściwej oceny poziomu zagrożenia szkodliwym działaniem pyłu i zagrożenia wybuchem pyłu węglowego [12]. Monitorowanie zapylenia przy pomocy pyłomierza PŁ-2 (rys. 2) daje o wiele większe możliwości kontroli poziomu zapylenia oraz zapobiegania jego skutkom. Przykładem mogą być badania przeprowadzone w jednej z kopalń z zastosowaniem trzech pyłomierzy PŁ-2 rozstawionych w wylotowym prądzie powietrza ze ściany (10, 60 i 100 m od ściany). Pokaza Monitoring of hazards associated with dust Some research on dustiness intensity has been carried out in the Institute EMAG for over ten years. This has resulted in construction, functionality testing and modernization of a device to measure dustiness volume. At the same time, some in situ research using this device and a proper interpretation of its results resulted in a successful estimation of the level of harmful dust impact hazard and of the level of the coal dust explosion hazard [12]. Monitoring of dustiness using the dust meter PŁ-2 (Fig. 2) guaranties much bigger possibilities to determine the dustiness level and to prevent its consequences. As an example one can point out a research carried out in one of the Polish mines using three dust meters PŁ-2 located in return air of a long wall (10, 60 and 100 m from the long-wall). The research has shown

11 10 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA ZAWIESIA ZŁĄCZE WYŚWIETLACZ KOMORA POMIAROWA Rys. 2. Pyłomierz PŁ-2 i jego budowa [11] Fig. 2. Dust-meter PŁ-2 and its construction [11] 1 głowica nadajnika transmitter head, 2 głowica odbiornika receiver head, 3 układ elektroniczny electronic system, 4 dioda nadawcza transmitter diode, 5 dioda odbiorcza receiver diode, 6 kanał z przesłonami przeciwpyłowymi channel with anti-dust screens, 7 tulejki pochłaniające światło rozproszone sleeves absorbing dispersed light, 8 obudowa casting, 9 komora pomiarowa measurement chamber, 10 korpus układu pomiarowego body of the measurement system Rys. 3. Zmienność stężeń pyłu zarejestrowana przez pyłomierz w odległości 60 m od ściany [11] Fig. 3. Variability of dust concentration registered by a dust meter located 60m from a long-wall [11] ły one, jak bardzo zmienne bywa stężenie pyłu w czasie jednej zmiany. Dzięki takim pomiarom możliwe jest określenie rozkładu stężeń względem wartości dopuszczalnych pod kątem szkodliwego oddziaływania na zdrowie, co ilustruje przykład czujnika umieszczonego 60 m od ściany (rys. 3). Pozwala to więc określać poziom narażenia pracownika na szkodliwe działanie pyłu oraz oznaczyć strefy zagrożenia uwzględniające wartości uśrednione: A bezpieczną, B tolerowalną, C nietolerowalną, co pokazano na rysunku 4. that dustiness during one shift can be extremely variable. Basing on such measurement it is possible to determine distribution of dust concentration in comparison with its permissible values from the point of view of their harmful impact on health, which is illustrated by the following example of a sensor located 60 m from the long-wall (Fig. 3). This makes it possible to determine a level of workers exposure to a harmful impact of dust as well as to mark danger zones taking into account some average values: A safe, B tolerable, C intolerable, which is presented in Fig. 4.

12 Nr 11(501) LISTOPAD Rys. 4. Strefy zagrożenia szkodliwego działania pyłu węglowego [11] Fig. 4. Danger zones basing on a harmful coal dust impact [11] Rys. 5. Rozkład ubytku stężenia pyłu zawieszonego w powietrzu [11] Fig. 5. Distribution of the concentration decrease of the dust suspended in the air Wyniki badań pozwoliły również na pozyskanie wiedzy na temat intensywności osadzania pyłu poprzez obliczanie masy pyłu całkowitego osiadłego w danej strefie wyrobiska (wyrobisk) w stosunku do średnich rozkładów pyłu zawieszonego. Krzywa ubytku (rys. 5), oznaczana jako C u (x), daje informację, ile pyłu zawieszonego w powietrzu ubyło wraz z odległością od źródła zapylenia. The research results have also made it possible to gather some information on the intensity of dust sedimentation. This has been achieved thanks to calculation of the mass of total dust settled in a specific area of a working (or of some workings) in relation with some average distributions of suspended dusts. The decrease curve (Fig. 5), marked as C u (x), informs how much dust suspended in the air decreased alongside with the distance from a dustiness source.

13 12 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Wykorzystano to do oceny zagrożenia wybuchem pyłu węglowego oraz obliczania intensywności jego neutralizacji pyłem kamiennym lub wodą (opylanie lub zmywanie stref niebezpieczeństwa wybuchu). Takich realnych i bieżących ocen zagrożenia szkodliwym działaniem pyłu oraz zagrożenia wybuchem pyłu węglowego nie umożliwiają powszechnie wykonywane pomiary grawimetryczne stężenia pyłu Monitorowanie zagrożenia klimatycznego Zgodnie z projektem rozporządzenia o zagrożeniach naturalnych [15] w 2013 r. obowiązywać będzie nowy sposób oceny zagrożenia klimatycznego w miejscu pracy w podziemnych wyrobiskach górniczych. Ocena ta będzie dokonywana na podstawie wartości wskaźnika temperatury zastępczej klimatu, określanego według wzoru: t zk = 0,6 t w + 0,4 t s v (1) gdzie: t w temperatura powietrza mierzona tzw. termometrem wilgotnym, w zakresie C, t s temperatura powietrza mierzona tzw. termometrem suchym, w zakresie C, v prędkość powietrza (m/s) pomnożona przez współczynnik przeliczeniowy [1 s C/m], w zakresie 0,15 4,0 m/s. Po pomiarze parametrów podanych we wzorze (1) możliwym przy pomocy przyrządów przenośnych typu psychroaspirator Assmana i anemometr dokonywane jest obliczenie wartości i ocena wg kryteriów podanych w przepisach [15]. W Instytucie Technik Innowacyjnych EMAG opracowano dla tego celu dwa rodzaje przyrządów pomiarowych. Pierwszy z nich jest przyrządem stacjonarnym (rys. 6), podłączonym do systemu monitorowania znajdującego się w danej kopalni. This observation has been used for estimation of the coal dust explosion hazard and for calculation of the intensity of its neutralization using rock dust and water (rock-dusting and watering of the explosion hazardous areas). Such actual and current estimations of the hazard of harmful dust impact and of the coal dust explosion hazard cannot be performed using commonly applied gravimetric measurement of dust concentration Monitoring of climatic hazard According to the project of legislation on natural hazards [15] new methods of estimation of the climatic hazard in underground mine workings will come into force in The estimation will be done basing on a value of an index of substitute temperature of climate, which is calculated according to the following formula: t zk = 0,6 t w + 0,4 t s v (1) where: t w temperature of the air measured using a, so called, wet thermometer within C, t s temperature of the air measured using a, so called, dry thermometer within C, v air velocity (m/s) multiplied by a conversion factor [1 s C/m], within 0,15 4,0 m/s. Once the parameters presented in the formula are measured (1) which can be done using portable devices such as Assman psychroaspirator and anemometer the value can be calculated and the estimation can be done according to the criteria stipulated in the legislation [15]. Two types of measurement devices have been designed for this purpose. One of them is a stationary device (Fig. 6) linked to the monitoring system of a mine. Rys. 6. Model przyrządu do określania temperatury zastępczej klimatu [12] Fig. 6. Model of device used for determination of a substitute temperature of climate [12]

14 Nr 11(501) LISTOPAD Realizuje on oprócz pomiarów takie funkcje, jak: obliczanie wartości temperatury wilgotnej powietrza i wartości nowego wskaźnika, wizualizacja wartości pomierzonych i obliczanych oraz sygnalizacja (świetlna, dźwiękowa) przekroczenia dopuszczalnych progów określonych dla trzeciego stopnia zagrożenia klimatycznego. Drugim urządzeniem jest przenośny przyrząd do określania wskaźnika temperatury zastępczej klimatu MTZK-1 (rys. 7). It fulfills apart from the measurement the following functions: calculation of the value of wet temperature of the air and calculation of the value of the new index, visualization of the measured and calculated values, signaling (illumination and sound) of any exceeding of permissible thresholds stipulated for the third grade of climatic hazard. The other device is a portable device used for determination of the substitute temperature of climate index MTZK-1 (Fig. 7). Rys. 7. Przenośny przyrząd do wyznaczania temperatury zastępczej klimatu MTZK-1 [1] Fig. 7. Portable device used for determination of the substitute temperature of climate MTZK-1 [1] Przyrząd mierzy w sposób ciągły temperaturę tzw. suchą i temperaturę tzw. mokrą, prędkość przepływu powietrza, ciśnienie atmosferyczne i wilgotność powietrza oraz wyznacza temperaturę zastępczą klimatu. Wszystkie wartości pomiarowe są na bieżąco wyświetlane na wyświetlaczu LCD z podświetleniem [1]. Dane pomiarowe wraz z datą i czasem mogą zostać zapisane w wewnętrznej, nieulotnej pamięci przyrządu i mogą być lokalnie przeglądane na wyświetlaczu urządzenia, a także skopiowane do komputera Monitorowanie zjawisk związanych z zagrożeniami pożarami endogenicznymi oraz metanowym i gazowym Oprócz standardowych pomiarów stężeń tlenku węgla i metanu oraz prędkości powietrza, służących do określania poziomu zagrożeń metanowego i pożarami endogenicznymi, możliwe jest głębsze rozpoznanie czynników mających wpływ na poziom i przewidywalność wzrostu poziomu tych zagrożeń. The device measures continuously the, so called, dry and wet temperature, the velocity of the air flow, the atmospheric pressure and the air humidity and, at the same time, it determines the substitute temperature of climate. All measurement values are continuously displayed on a illuminated LCD [1]. The measurement data together with the measurement date and time can be saved in an internal, non-volatile memory of the device and can be either browsed through on the device display or copied to a computer Monitoring of phenomena related to spontaneous fire hazard and methane and gas hazards Apart from the usual measurement of carbon monoxide and of methane concentration and of the air velocity used for determination of the spontaneous fire hazard and the methane hazard, more accurate recognition of factors affecting the level of these hazards and the predictability of its increase can be done. By saying

15 14 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Chodzi o analizę sieci wentylacyjnej wykorzystywaną do określania rozkładu pola potencjałów aerodynamicznych. Dzięki niej można oceniać niekontrolowane przepływy gazów przez zroby, w tym tlenu wpływającego na rozwój samozagrzewania węgla, oraz przepływy metanu i innych gazów szkodliwych dla zdrowia (tlenek i dwutlenek węgla). Pomiary służące określeniu wartości potencjału, to jest pomiary ciśnienia bezwzględnego oraz temperatury (termometrem suchym i wilgotnym) w wybranych punktach (węzłach) sieci wentylacyjnej oraz zrębu szybu wdechowego, dotychczas wykonywane są za pomocą przyrządów ręcznych. Pole potencjałów aerodynamicznych ulega zmianom ze względu na zmiany parametrów powietrza oraz zmiany struktury sieci wentylacyjnej lub wartości oporów wyrobisk. Szczególnie istotne jest to w przypadku sąsiedztwa zrobów z rejonami prowadzenia robót czy też sąsiedztwa zrobów dwóch kopalń, w których analiza sieci prowadzona jest odrębnie. W takim przypadku nie daje to możliwości przewidzenia skutków występowania różnic w rozkładzie pola potencjałów, a mogą to być przepływy metanu, tlenku węgla, dwutlenku węgla itp. z jednej kopalni do drugiej. Praktycznego znaczenia nabiera to w przypadku zagrożenia pożarem endogenicznym w zrobach. Znając jego początkowe wartości (rys. 8a), można odpowiednio pole to wyrównać (rys. 8b) i zapobiec pożarowi [6], a w przypadku występowania w zrobach metanu również wybuchowi metanu. Obliczenia potencjałów aerodynamicznych prowadzone na podstawie pomiarów dokonywanych przez przyrządy ręczne obarczone są niepewnością wyników, this, the authors mean an analysis of ventilation network used to determine the distribution of the field of aerodynamic potentials. Thanks to this analysis uncontrolled flows of gases through goaf spaces, including flows of oxygen affecting the process of spontaneous heating of coal and flows of methane and other gases harmful for human health (carbon mono- and dioxide) can be estimated. The measure ments used for determination of the value of the potential, i.e. measurement of absolute pressure and measurement of temperature (using a dry and a wet thermometer) in some selected points (knots) of the ventilation network and of the surface level of the intake shaft have been, so far, performed using manual devices. The field of aerodynamic potentials changes due to changes in the air parameters and to change in the structure of ventilation network and in the value of the resistance of workings. It is particularly important in case of goaf spaces that are adjacent to extraction areas or in case of adjacent goaf spaces of two mines, in which the analysis is performed separately. In such case it is impossible to anticipate the consequences of differences in the distribution of the field of potentials, and yet the consequences might include flows of methane, carbon monoxide, carbon dioxide and other gases from one mine to the other. This has a very practical aspect in case of the hazard of spontaneous fire in goaf spaces. Knowing its starting values (Fig. 8a) one can equalize the field (Fig. 8b) and prevent the fire [6] which can also, should methane occur in the goaf spaces, prevent from fire explosion. The calculation of aerodynamic potentials performed basing on measurements carried out with manual devices are burdened with some unreliability a) b) Rys. 8. Rozkład pola potencjałów aerodynamicznych w rejonie [6]: a) przed wyrównaniem rozkładu stan zagrożenia, b) po wyrównaniu rozkładu Fig. 8. Distribution of a field of aerodynamic potentials in an area [6]: a) before equalization of the distribution hazardous state, b) after equalization of the distribution

16 Nr 11(501) LISTOPAD będącą głównie następstwem niejednoczesności pomiarów, błędu ludzkiego oraz zmian ciśnienia barometrycznego w okresie wykonywania pomiarów. Wprowadzenie ciągłego monitorowania potencjałów aerodynamicznych błędy takie likwiduje oraz pozwala na bieżąco aktualizować schemat potencjalny danego rejonu zarówno w warunkach normalnych, jak i w przypadku wystąpienia zagrożeń. Wykorzystując dotychczasową wiedzę o potencjałach oraz doświadczenia badawcze wynikające z prac prowadzonych w związku z konstruowaniem przyrządów, opracowano stacjonarny przyrząd do ciągłego pomiaru parametrów fizycznych powietrza i obliczania potencjałów aerodynamicznych [10] (rys. 9). of the results, which results from the lack of simultaneity of the measurement, from human errors and from changes in barometric pressure during the measurement. Introduction of continuous monitoring of aerodynamic potentials eliminates these errors and also makes it possible to update diagram of the potentials continuously, both under normal conditions and in case of hazards. Basing on the previous knowledge on potentials and on the research experience resulting from projects carried out to construct various devices, a stationary device for continuous measurement of physical parameters and calculation of aerodynamic potentials has been designed [10] (Fig. 9). Rys. 9. Przyrząd THP-2 do pomiarów i wyznaczania potencjału aerodynamicznego [10] Fig. 9. Device THP-2 for measurement and determination of aerodynamic potential [10] Monitorowanie zagrożonego rejonu pod kątem rozkładu pola potencjałów aerodynamicznych umożliwia właściwą i szybką reakcję na każdą niekorzystną zmianę stanu równowagi. To zaś może zapobiec pożarowi lub wypływowi metanu i innych niebezpiecznych gazów, a szczególnego znaczenia nabiera w sytuacji, kiedy w zrobach występuje zarówno zagrożenie pożarem endogenicznym, jak i zagrożenie metanowe, bowiem grozi to zapaleniem lub/i wybuchem metanu o tragicznych skutkach. Monitoring of a hazardous area from the point of view of the distribution of a field of aerodynamic potentials guaranties correct and swift reaction to all disadvantageous changes in the state of balance. This may prevent a fire or an outburst of methane or of other dangerous gases, and it is particularly important in a situation when both spontaneous fire hazard and methane hazard are present in a goaf space, because this may lead to an ignition and/or explosion of methane with tragic consequences. 4. WYKRYWANIE ANOMALII W GÓROTWORZE 4. DETECTION OF ANOMALIES IN STRATA Przedstawione wyżej nowe zakresy monitorowania są związane z monitorowaniem systemowym, jednak nie wyczerpują one wszystkich możliwości kontroli zagrożeń. Można również wyprzedzająco kontrolować okresowo lub doraźnie, w razie potrzeby roboty eksploatacyjne narażone na zagrożenia wstrząsami stropowymi oraz na trudne do przewidzenia zagrożenia związane ze zjawiskami gazogeodynamicznymi. W tym drugim przypadku chodzi The new monitoring spectrum presented ahead is related to a system monitoring, it does not, however, cover all possibilities as far as a hazard control in concerned. The extraction works endangered with the roof bump hazard and with the poorly predictable hazard of gas- and geodynamic events can be also preventively controlled i.e. on periodic basis or ad hoc basis. The hazard of gas- and geodynamic events refers to new type of events outburst or sudden

17 16 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA o występowanie nowych zjawisk wyrzutu lub nagłego wypływu gazu do wyrobisk. Objawiło się to m.in. wyrzutem azotu i skał w jednej z kopalń KGHM Polska Miedź S.A. oraz wypływem metanu do wyrobiska ścianowego w jednej z kopalń Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. [8]. Aparaturą zapewniającą realizację takich kontroli jest iskrobezpieczna przenośna aparatura sejsmiczna PASAT M [5] (rys. 10). outflow of gas into mine workings. This occurred, among others, in a form of an outburst of nitrogen and rocks in one of the mines belonging to the KGHM Polska Miedź S.A. and also in a form of a methane outflow to a long-wall area in one of the mines belonging to the Jastrzębska Spółka Węglowa S.A. [8]. An intrinsically safe portable apparatus PASAT M is an equipment that allows to perform a control of this kind [5] (Fig. 10). Rys. 10. Schemat blokowy aparatury PASAT M [5] Fig. 10. Diagram of the PASAT M apparatus [5] Sonda geofona SG3 geophone probe SG3, Bateria Ex Ex accumulator, PDA Ex z oprogramowaniem PASAT M oraz modułem Bluetooth (master) PDA Ex z with PASAT M software and a Bluetooth module (master), LS Kabel światłowodowy LS Light fiber cable, WE/WY transmisji CAN (slave) INPUT/OUTPUT of CAN transmission (slave), Moduł transmisji Bluetooth (slave) Transmission module Bluetooth (slave), Trigger MŁOT Trigger HAMMER, Trigger WYBUCH Trigger EXPLOSION Aparatura PASAT M wykorzystana może być przy stosowaniu następujących metod pomiarowych: prześwietlanie sejsmiczne pomiędzy wyrobiskami, profilowanie sejsmiczne podłużne w wyrobiskach górniczych, prześwietlanie sejsmiczne pomiędzy otworami, sondowanie sejsmiczne. Aparatura ta umożliwia też gromadzenie danych w formie rejestracji sygnałów napięciowych lub prądowych doprowadzonych do niej z autonomicznych iskrobezpiecznych źródeł (czujników). Jej modułowa konstrukcja zapewniła osiągnięcie wysokiej dynamiki toru pomiarowego, a także iskrobezpiecznej budowy, co ma zasadnicze znaczenie dla możliwości pracy w podziemnych wyrobiskach górniczych. The PASAT M apparatus can be used for the following research methods: seismic tomography (transmission survey) between entries, seismic profiling along entry, borehole seismic survey seismic probing. The apparatus ensures, furthermore, gathering of data in form of a registration of voltage and current signals transferred to the apparatus from autonomic intrinsically safe sources (sensors). Its modular construction guaranties high dynamics of measurement channels and, furthermore, an intrinsic safety of the construction, which is crucial in case of operation in underground mining plants.

18 Nr 11(501) LISTOPAD Ze względu na bardzo wysoką precyzję aparaturę PASAT M wykorzystywało już kilka zagranicznych kopalń, w których anomalia stanowiły poważny problem. Oprócz kilku kopalń w Chinach czy na Białorusi znalazła ona zastosowanie w Kopalni Węgla im. F. Zasiadki w Doniecku na Ukrainie. Zastosowano tu metodę profilowania sejsmicznego i metodę geotomografii sejsmicznej. Profilowanie wykonano w chodniku montażowym ściany 18. zachodniej, we wschodnim ociosie wyrobiska (rys. 11). Wszystkie z dotychczas wykonanych badań zweryfikowane zostały podczas prowadzenia ruchu ściany, potwierdzając duże możliwości wykorzystania aparatury w szerokim zakresie i przy użyciu zróżnicowanych technik pomiarowych. Due to its high accuracy, the apparatus PASAT M has been used in several mines abroad, in which the anomalies constituted a serious problem. Apart from several mines in China or in Belarus it was implemented in the F. Zasyadko Coal Mine in Ukraine. The methods of seismic geotomography and the seismic profiling were applied there. The profiling was carried out in the entry area of the long-wall No. 18, in the east wall of the working (Fig. 11). All results of research carried out so far have been verified during operation of the long-wall complex, which confirms huge possibilities of the apparatus application not only as far as the extend of research is concerned, but also for various measurement methods. Rys. 11. Położenie strefy zaburzonej tektonicznie stwierdzone na podstawie lokalizacji źródeł fali dyfrakcyjnej w rejonie ściany 18. w KW im. F. Zasiadki [5] Fig. 11. Location of a tectonically irregular zone confirmed basing on location of sources of a diffraction wave in the region of the long-wall No. 18 of the Mine Zasyadko [5] 5. PODSUMOWANIE 5. CONCLUSIONS Stosowanie systemu monitorowania zagrożeń aerologicznych (np. SMP-NT/A) daje szerokie możliwości kontroli poziomu zagrożeń występujących w danej kopalni. Poprawę oceny jakościowej zagrożeń wynikających z działania pyłów szkodliwych dla zdrowia i wybuchu pyłu węglowego dać może ciągłe monitorowanie zapylenia oraz zastosowanie matematycznego modelu intensywności osiadania pyłu i odpowiednich algorytmów do określania poziomu zagrożeń. Implementation of the system for monitoring of aerologic hazards (for example SMP-NT/A) guaranties huge possibilities of control of the level of hazards existing in a specific mine. Continuous monitoring of dustiness and application of mathematical model of dust settling intensity as well as application of corresponding algorithms used for determination of the hazard level result in improvement of quality assessment of the hazards related to the impact of harmful dust on human health and of the hazard of methane explosion.

19 18 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Permanentne sprawdzanie wskaźnika temperatury zastępczej klimatu umożliwia pełną kontrolę miejsc i rejonów narażonych na to zagrożenie oraz właściwą ocenę poziomu zagrożenia klimatycznego. Stałe monitorowanie rejonów eksploatacyjnych w sąsiedztwie zrobów pod względem rozkładu pola potencjałów aerodynamicznych umożliwi podejmowanie właściwych działań w celu ograniczenia skutków zagrożenia wentylacyjno-gazowego, pożarem endogenicznym i metanowym. Rozszerzenie możliwości ciągłego monitorowania parametrów aerologicznych zagrożeń pyłowych, klimatycznych i gazowych oraz obliczania na ich podstawie odpowiednich wskaźników i danych przyczynią się do poprawy bezpieczeństwa załogi i ruchu zakładu górniczego. Możliwa jest kontrola okresowa lub/i doraźna zaburzeń górotworu w polu planowanej eksploatacji z użyciem przenośnej aparatury PASAT M. Continuous control of the index of the substitute temperature of climate makes it possible to control the locations and regions endangered with this type of hazard and to estimate the level of climatic hazard. Continuous monitoring of exploitation regions adjacent to goaf spaces from the point of view of distribution of the field of aerodynamic potentials makes it possible to take proper actions to reduce the consequences of the ventilation and gas hazards and the hazards of spontaneous fires and methane fires. Expanded functions of the continuous monitoring of aerologic parameters of the dust, climatic hazards and gas hazards as well as the possibility to calculate some corresponding indexes and data basing on this paremeters will contribute greatly to the improvement of human and operational safety. Anomalies of the strata in the area of a planned extraction can also be controlled on periodic or ad hoc basis using a portable apparatus PASAT M. Literatura 1. Dzierżak P., Szwejkowski P., Budziszewski A., Trenczek S.: Ręczny przyrząd do wyznaczania temperatury zastępczej klimatu. Materiały II Międzynarodowego Kongresu Górnictwa Rud Miedzi, Lubin , Wyd. SITG O/Lubin, 2012, s Isakow Z., Krzystanek Z., Trenczek Z., Wojtas P.: Integrated System for Environmental Hazards Monitoring in Polish Mining. Materiały 21 st World Mining Congress Expo 2008 Underground Mine Environment, Wyd. Agencja Reklamowo-Wydawnicza OSTOJA, Kraków 2008, ISBN , s Isakow Z.: Systemy i urządzenia do monitorowania zagrożeń sejsmicznych w kopalniach i otaczającego środowiska. W: Innowacje dla gospodarki, red. S. Trenczek, Wyd. ITI EMAG, s Kabiesz J., Konopko W.: Problemy skojarzonych zagrożeń górniczych w polskich kopalniach węgla kamiennego. Bezpieczeństwo i Ochrona Środowiska w Górnictwie, 1995 nr 5, s Oset K., Ptak M.: Możliwości badawcze przenośnej iskrobezpiecznej aparatury sejsmicznej PASAT M. Przegląd Górniczy, 2012 nr 7, s Strumiński A.: Zwalczanie pożarów podziemnych w kopalniach, Wydawnictwo PAN, Wrocław Trenczek S.: Automatyczna aerometria górnicza dla kontroli zagrożeń aerologicznych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, 2005 nr 3, s Trenczek S., Oset K., Isakow Z.: Wykrywanie anomalii w polu eksploatacyjnym dla zwalczania zagrożenia gazowego. Przegląd Górniczy, 2011 nr 1-2, s Trenczek S.: Monitorowanie zagrożeń aerologicznych a eksploatacja złóż na dużych głębokościach. CUPRUM, 2005 nr 2, s Trenczek S., Mróz J., Broja A.: Perspektywy rozwoju systemów monitorowania zagrożeń gazowych o pomiary ciśnienia. W: Wybrane zagrożenia aerologiczne w kopalniach podziemnych i ich zwalczanie, red. N. Szlązak, Wyd. AGH, Kraków 2011, s Trenczek S., Wojtas P.: Possibilities of on line measurements in new hazard areas in work environment. Prace Naukowe GIG 33 rd Conference of Safety in Mines Research Institutes, Wyd. GIG, Katowice 2009, s Trenczek S., Wojtas P.: Rozwój pomiaroznawstwa stosowanego od pomiarów wskaźnikowych do monitorowania i nadzorowania bezpieczeństwa. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej, Seria: Studia i Materiały nr 32, Wrocław 2006, s References 1. Dzierżak P., Szwejkowski P., Budziszewski A., Trenczek S.: Ręczny przyrząd do wyznaczania temperatury zastępczej klimatu. Materials of the 2nd International Congress of the Copper Mining, Lubin , Pub. SITG O/Lubin, 2012, p Isakow Z., Krzystanek Z., Trenczek Z., Wojtas P.: Integrated System for Environmental Hazards Monitoring in Polish Mining. Materials of the 21st World Mining Congress Expo 2008 Underground Mine Environment, Pub. Agencja Reklamowo-Wydawnicza OSTOJA, Kraków 2008, ISBN , p Isakow Z.: Systemy i urządzenia do monitorowania zagrożeń sejsmicznych w kopalniach i otaczającego środowiska. W: Innowacje dla gospodarki, red. S. Trenczek, Pub. ITI EMAG, p Kabiesz J., Konopko W.: Problemy skojarzonych zagrożeń górniczych w polskich kopalniach węgla kamiennego. Bezpieczeństwo i Ochrona Środowiska w Górnictwie, 1995 No. 5, p Oset K., Ptak M.: Możliwości badawcze przenośnej iskrobezpiecznej aparatury sejsmicznej PASAT M. Przegląd Górniczy,2012 No. 7, p Strumiński A.: Zwalczanie pożarów podziemnych w kopalniach, Publishing house PAN, Wrocław Trenczek S.: Automatyczna aerometria górnicza dla kontroli zagrożeń aerologicznych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, 2005 No. 3, p Trenczek S., Oset K., Isakow Z.: Wykrywanie anomalii w polu eksploatacyjnym dla zwalczania zagrożenia gazowego. Przegląd Górniczy 2011, No. 1-2, p Trenczek S.: Monitorowanie zagrożeń aerologicznych a eksploatacja złóż na dużych głębokościach. CUPRUM, 2005 No. 2, p Trenczek S., Mróz J., Broja A.: Perspektywy rozwoju systemów monitorowania zagrożeń gazowych o pomiary ciśnienia. In: Wybrane zagrożenia aerologiczne w kopalniach podziemnych i ich zwalczanie, red. N. Szlązak, Pub. AGH, Kraków 2011, p Trenczek S., Wojtas P.: Possibilities of on line measurements in new hazard areas in work environment. Prace Naukowe GIG 33rd Conference of Safety in Mines Research Institutes, Pub. GIG, Katowice 2009, p Trenczek S., Wojtas P.: Rozwój pomiaroznawstwa stosowanego od pomiarów wskaźnikowych do monitorowania i nadzorowania bezpieczeństwa. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej, Series: Studia i Materiały No. 32, Wrocław 2006, p

20 Nr 11(501) LISTOPAD Trutwin W.: Pomiaroznawstwo i monitorowanie wentylacji kopalń. Materiały 1. Szkoły Aerologii Górniczej, Wyd. Centrum EMAG, Katowice Ustawa z dnia 9 czerwca 2011 r. Prawo geologiczne i górnicze (Dz. U. z 2011, nr 163, poz. 981). 15. Projekt wersja z dnia 30 marca 2012 r. rozporządzenia Ministra Środowiska w sprawie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych. 13. Trutwin W.: Pomiaroznawstwo i monitorowanie wentylacji kopalń. Materials of the 1. School of the mining aerology, Pub. Centrum EMAG, Katowice Geological and mining law Act from July 9th, 2011 (Journal of Laws of the Republic of Poland 2011, No. 163, pos. 981). 15. Project version from March 30th, 2012 of the regulation of the Ministry of Environment on natural hazards in mining plants. Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów. The article was reviewed by two independent reviewers. РАЗВИТИЕ СИСТЕМНОГО МОНИТОРИНГА УГРОЗ В ПОДЗЕМНОЙ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В статье указано влияние взаимосвязанных опасностей по эндогенным, метановым пожарам, по климатическим горным ударам и взрыву угольной пыли на уровень безопасности в данной зоне разработки. Возможные угрозы были охарактеризованы с точки зрения динамики последствий их возникновения, что дало возможность выделить группы опасностей пассивного характера, в том числе явные и скрытые, а также динамического характера. По сравнению с ранее проведенными диапазонами мониторинга угроз представлено новые диапазоны пылеметрию, барометрию и термогигрометрию новейшие функциональные возможности систем мониторинга. Также рассмотрено новые возможности мониторинга горной массива в целях выявления возможности появления опасных газогеодинамических явлений.

21 dr inż. ANDRZEJ DZIKOWSKI mgr inż. MAREK HEFCZYC mgr inż. JERZY KELLER Instytut Technik Innowacyjnych EMAG Analiza porównawcza napędu ciągnienia górniczego kombajnu ścianowego w przypadku zastosowania silnika asynchronicznego klatkowego oraz bezszczotkowego silnika synchronicznego o magnesach trwałych Comparative analysis of the cutter loader hauling drive with an asynchronous squirrel-cage motor and with a synchronous brushless permanent-magnet motor Artykuł prezentuje wyniki przeprowadzonej z wykorzystaniem symulacji komputerowych analizy porównawczej napędu ciągnienia górniczego kombajnu ścianowego wyposażonego w dwa typy silników napędowych: silnik asynchroniczny klatkowy oraz bezszczotkowy silnik synchroniczny o magnesach trwałych. Analiza komputerowa konwencjonalnego napędu ciągnienia kombajnu z silnikiem asynchronicznym klatkowym zasilanym poprzez przemiennik częstotliwości wyposażony w falownik skalarny, umożliwiający ciągłą regulację prędkości posuwu kombajnu, pozwoliła uzyskać szczegółowe parametry mechaniczne i elektryczne tego napędu. Następnie poddano symulacji komputerowej układ napędowy ciągnienia, zastępując silnik asynchroniczny klatkowy nowoczesnym, energooszczędnym silnikiem synchronicznym o magnesach trwałych. Uzyskane wyniki poddano analizie pod względem parametrów elektrycznych, mechanicznych oraz ekonomicznych. Na podstawie przeprowadzonych analiz można stwierdzić, że zastosowanie silnika synchronicznego o magnesach trwałych do napędu ciągnienia górniczego kombajnu ścianowego poprawia parametry dynamiczne napędu, a także zmniejsza jego energochłonność, umożliwiając tym samym uzyskanie oszczędności ekonomicznych. Największe korzyści z zastosowania wysokosprawnego silnika o magnesach trwałych polegają na znacznym zmniejszeniu wydzielania się ciepła w silniku napędowym, przez co zminimalizowany może zostać układ chłodzenia. Uzyskane parametry dynamiczne, ekonomiczne i przede wszystkim termiczne napędu wyposażonego w silnik o magnesach trwałych zamiast wykorzystywanego powszechnie silnika asynchronicznego klatkowego przemawiają za stosowaniem tego typu silników w napędach ciągnienia górniczych kombajnów ścianowych. The article features the results of a computer-simulation comparative analysis of the hauling drive of a cutter loader equipped with two types of motors an asynchronous squirrel-cage motor and a synchronous brushless permanent-magnet motor. The computer analysis of the conventional hauling drive of a cutter loader with an asynchronous squirrel-cage motor, powered by a converter equipped with a scalar inverter enabling constant regulation of the cutter loader movement speed, allowed to achieve detailed mechanical and electrical parameters of this drive. Then, a computer simulation was carried out for a modern, energy-efficient synchronous permanent-magnet motor. The achieved results were analyzed with respect to electrical, mechanical and economical parameters. Based on the conducted analyses one can see that the use of the synchronous permanent-magnet motor for the cutter loader hauling drive improves dynamic parameters of the drive, lowers energy use and this way brings economical profits. The most significant profits resulting from the use of the high-efficiency permanent-magnet motor lie in lower heat emission in the driving motor which, in turn, allows to minimize the cooling system. The achieved dynamic and economical parameters and, most importantly, thermal parameters of the drive equipped with the permanent-magnet motor, instead of the commonly used asynchronous squirrel-cage motor, speak for the application of permanent-magnet motors in the hauling drives of cutter loaders.

22 Nr 11(501) LISTOPAD WPROWADZENIE 1. INTRODUCTION W polskich kopalniach podziemnych urabianie węgla kamiennego odbywa się przede wszystkim systemami ścianowymi za pomocą zmechanizowanych kompleksów ścianowych. W skład kompleksu ścianowego wchodzi maszyna urabiająca, którą może być kombajn ścianowy lub strug. Dynamika procesu urabiania ściany za pomocą kombajnu jest bardzo wysoka. W ostatnich latach nastąpił wzrost wydajności kompleksów ścianowych, znacząco wzrosła też moc silników zainstalowanych na kombajnie. Dotyczy to zarówno mocy silnika organu urabiającego, jak i mocy silnika posuwu kombajnu. Moce silników organów urabiających osiągają już 1000 kw, a kombajn jest wyposażony zwykle w dwa organy urabiające. Prędkości posuwu organów urabiających osiągają wartość 35 m/min, a siły uciągu przekraczają wartość 500 kn. Takie parametry techniczne kombajnu pozwalają uzyskać wydajność urabiania ściany węgla na poziomie 15 tys. Mg/dobę [1, 2]. Taka duża wydajność urabiania przez kombajn uzyskiwana jest na skutek zastosowania układów ciągnienia zapewniających wysoką prędkość przemieszczania organów urabiających wzdłuż ściany węgla oraz stosowania dużych sił ciągnienia. Układy ciągnienia zapewniają bezstopniową regulację prędkości posuwu organów urabiających, która jest realizowana za pomocą napędów hydraulicznych bądź elektrycznych. Obecnie coraz częściej są stosowane napędy elektryczne, w których regulacja prędkości jest wykonywana za pomocą silników asynchronicznych klatkowych zasilanych z przemienników częstotliwości [1, 2, 3]. Mechanizm posuwu kombajnu zapewnia przeniesienie siły uciągu z koła napędowego ciągnika lub kół napędowych dwóch ciągników na elementy trasy jezdnej mocowane wzdłuż całej ściany do zastawek przenośnika zgrzebłowego. Kombajny ścianowe w polskim górnictwie węglowym są wyposażone w mechanizmy posuwu typu POLTRAK z jednym kołem napędowym lub dwoma kołami napędowymi, typu EICOTRACK z dwoma kołami napędowymi oraz typu DYNATRAC z dwoma kołami napędowymi [1]. The mining of hard coal in Polish underground mines is based on the longwall method with the use of longwall systems. A longwall system comprises a mining machine which can be a cutter loader or a plough. The dynamics of the mining process conducted with the use of a cutter loader is very high. Recently, due to the growing efficiency of longwall systems, the power of motors installed on cutter loaders has increased significantly. This refers both to the power of a cutting head motor and the power of a motor responsible for the cutter loader movement. The power values of cutting heads motors are as high as 1,000 kw, while a cutter loader is usually equipped with two cutting heads. The movement speed values of cutting heads reach 35 m/min while the hauling force values exceed 500 kn. Such technical parameters of a cutter loader allow to achieve high efficiency of longwall mining on the level of 15,000 Mg/24 h [1, 2]. Such high mining efficiency of a cutter loader is achieved due to the use of hauling systems which ensure high speed of cutting heads movement along the coal face and the use of high hauling forces. Hauling systems ensure infinitely variable adjustment of the movement speed of cutting heads. The adjustment is carried out by means of hydraulic or electrical drives. At present, electrical drives are used more and more frequently. Here, the adjustment is made by means of asynchronous squirrel-cage motors powered by converters [1, 2, 3]. The mechanism of the cutter loader movement ensures that the hauling force from the drive wheel of a haulage gear, or the drive wheels of two haulage gears, is carried over to the elements of the route which are installed along the whole coal face as far as the spill-plates of the chain-and-flight conveyor. Cutter loaders in the Polish mining sector are equipped with the following movement mechanisms: POLTRAK with one drive wheel or two drive wheels, EICOTRACK with two drive wheels, and DYNATRAC with two drive wheels [1]. 2. MODELOWANIE OBCIĄŻEŃ DYNAMICZ- NYCH WYSTĘPUJĄCYCH W RZECZYWI- STYCH UKŁADACH CIĄGNIENIA KOMBAJNÓW ŚCIANOWYCH 2. MODELLING DYNAMIC LOADS IN REAL HAULING SYSTEMS OF CUTTER LOADERS Występujące w układach ciągnienia kombajnów ścianowych obciążenia dynamiczne mają bardzo zło- Dynamic loads in the hauling systems of cutter loaders have very complex characteristics resulting

23 22 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA żony charakter, wynikający z prowadzonego procesu urabiania ściany węglowej. Na skutek kontaktu noży organów urabiających z calizną węglową na mechanizm ciągnienia przenoszą się drgania szybkozmienne o częstotliwości zależnej od prędkości urabiania. Dodatkowo w zależności od stosowanego mechanizmu ciągnienia występuje modulacja momentu obciążenia wału silnika napędowego układu ciągnienia, zależna od prędkości posuwu. W ramach niniejszego artykułu zamodelowano modulacje momentu występujące w bezcięgnowym elektrycznym mechanizmie posuwu kombajnu ścianowego typu EICOTRACK 2BP. Ten typ mechanizmu posuwu charakteryzuje się przeniesieniem momentu silnika napędowego poprzez przekładnię mechaniczną na koło napędowe o zarysie ewolwentowym. Koło napędowe zazębia się z przekładkami sworzniowymi zamontowanymi do obudowy przenośnika zgrzebłowego, wywołując siłę pociągową przemieszczającą kombajn ścianowy wzdłuż urabianej ściany. Ze względu na dostępność danych pomiarowych kombajnu ścianowego typu KSW-750E, zaczerpniętych z [1], zdecydowano przeprowadzić symulacje komputerowe dla warunków obciążenia występujących w czasie urabiania ściany węglowej o długości 250 m usytuowanej poziomo, czyli bez nachylenia podłużnego i poprzecznego. Symulacje zostały wykonane dla przypadku, w którym kombajn ścianowy, po osiągnięciu założonej prędkości posuwu, urabia czoło wyrobiska ścianowego organami urabiającymi ze stałą prędkością posuwu [11]. Symulacje komputerowe prowadzono z użyciem symulatora układów energoelektronicznych PSIM v.7.1 firmy PowerSim Inc. [4]. Na rys. 1. został przedstawiony zasymulowany przebieg prędkości posuwu kombajnu ścianowego w czasie rozpoczynania pracy kombajnu. from the mining process of a coal face. Due to the contacts between the cutting head picks and the coal solid, the hauling mechanism receives quick-change vibrations with the frequency depending on the speed of cutting. Additionally, depending on the applied hauling mechanism, there is modulation of the load torque of the driving motor shaft in the hauling system. The modulation depends on the movement speed. Within this article, the authors modelled the torque modulations occurring in EICOTRACK 2BP chainless electrical mechanism of the cutter loader movement. In this type of a movement mechanism the torque of the driving motor is carried over, through a transmission gear, to the involute drive wheel. The drive wheel gears with peg bolts fixed to the casing of the chain-and-flight conveyor, causing a strong hauling force which moves the cutter loader along the coal face. Due to the availability of measuring data of the KSW-750E cutter loader, taken from [1], the authors decided to carry out computer simulations for load conditions occurring during the mining process of a horizontal 250-metre coal face, i.e. without either gradient along strike or gradient along dip. The simulations were conducted for the case when a cutter loader, after achieving the assumed movement speed, cuts the face of the excavation with cutting heads with constant movement speed [11]. Computer simulations were conducted with the use of the PSIM v.7.1 power electronics simulator made by PowerSim Inc. [4]. Fig. 1 presents the simulated movement speed profile of the cutter loader at the moment it starts working. Rys. 1. Profil prędkości posuwu kombajnu [11] Fig. 1. Cutter loader movement speed profile [11]

24 Nr 11(501) LISTOPAD Przebieg prędkości posuwu kombajnu przedstawiony na rys.1. jest zgodny z przebiegiem pomiarowym zamieszczonym w [1] i można wyróżnić w nim dwie fazy. W pierwszej, trwającej 18 sekund, następuje rozruch kombajnu ścianowego, prędkość posuwu narasta od zera do wartości zadanej, w tym przypadku równej 5 m/min. Wzrost prędkości posuwu kombajnu spowodowany jest narastaniem częstotliwości napięcia zasilania silników w napędzie ciągników, przy czym można wyróżnić w tej fazie dwie wartości przyśpieszenia: w przedziale czasowym 0 do 2,5 s prędkość posuwu narasta od 0 do wartości 1,7 m/min, natomiast w przedziale czasowym od 2,5 do 18 s prędkość posuwu narasta do wartości zadanej, w tym przypadku równej 5 m/min. W drugiej fazie, począwszy od 18. sekundy, kombajn ścianowy porusza się ze stałą zadaną prędkością posuwu i w 25. sekundzie następuje rozpoczęcie urabiania ściany przy stałej prędkości posuwu wynoszącej w tym przypadku 5 m/min. Na rys. 2. został przedstawiony zasymulowany przebieg dynamicznego obciążenia silnika w napędzie ciągnika kombajnu w czasie rozpoczynania pracy kombajnu z przebiegiem prędkości przedstawionym na rys. 1. Przedstawiony na rys. 2. przebieg obciążenia dynamicznego w układzie ciągnienia kombajnu ścianowego jest zgodny z przebiegiem pomiarowym zamieszczonym w [1] i cechuje się wyraźnie periodycznym charakterem wywołanym współdziałaniem zębów kół napędowych ze sworzniami zębatki. W charakterystyce momentu obciążenia widoczne są wyraźne drgania o okresie zazębiania zębów kół napędowych ze sworzniami zębatki. W fazie rozruchu kombajnu ścianowego okres zazębiania jest zmienny i w miarę zwiększania prędkości posuwu The cutter loader movement speed profile presented in Fig. 1 complies with the measurement profiled presented in [1] and it is possible to divide it into two phases. The first 18-second phase comprises the start-up of the cutter loader, when the movement speed increases from 0 to the assumed value, here equal to 5m/min. The increase in the movement speed of the cutter loader results from the increasing frequency of power voltage of motors in the haulage gears drives. Still, it is possible to distinguish two values of acceleration in this phase: in the period from 0 to 2.5 seconds the movement speed increases from 0 to 1.7 m/min, while in the period from 2.5 to 18 seconds the movement speed increases up to the assumed value, here equal to 5 m/min. In the second phase, starting from the 18 th second, the cutter loader moves with the constant set movement speed and in the 25 th second it starts to cut the face with the constant movement speed of 5 m/min. Fig. 2 presents the simulated profile of the dynamic load of a motor in the hauling drive of the cutter loader at the moment it starts working, along with the speed profile presented in Fig. 1. The profile of the dynamic load in the cutter loader hauling system, presented in Fig. 2, is compliant with the measurement profile presented in [1] and has a periodical character resulting from the co-operation between the drive wheels and the pegs of the rack. The load torque characteristics show clear vibrations with the interval of meshing gear of drive wheels with the rack pegs. In the phase of the cutter loader start-up, the meshing gear interval is variable and gets shorter proportionally to the increasing movement speed of the cutter loader. In the set movement, Rys. 2. Przebieg momentu obciążenia silnika napędu ciągnienia kombajnu [11] Fig. 2. Load torque of the motor in the cutter loader hauling drive [11]

25 24 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA kombajnu okres ten maleje. W ruchu ustalonym okres zazębiania zębów kół napędowych ze sworzniami zębatki jest stały i wynosi dla zadanej wartości prędkości posuwu 1,4 sekundy. Pomimo iż w fazie rozruchu prędkość posuwu kombajnu rośnie, obciążenie dynamiczne silników w napędzie jego ciągników jest co do wartości średniej w przybliżeniu stałe. Moment dynamiczny na wale silnika rozpatrywanego ciągnika oscyluje przy tym w granicach od 110 do 148 Nm, wartość średnia tego obciążenia kształtuje się na poziomie 133,6 Nm. Ponieważ w tym czasie, do 25. sekundy, nie była urabiana ściana, można więc przyjąć, że jest to ruch manewrowy kombajnu ścianowego. W momencie rozpoczęcia urabiania ściany, od 25. sekundy, obciążenia dynamiczne wzrastają i mają postać drgań szybkozmiennych, których źródłem jest proces urabiania calizny węglowej organami urabiającymi. Wartość szczytowa obciążenia dynamicznego silnika ciągnika wynosi 208 Nm. Amplituda tego obciążenia, rozumiana jako zakres jego zmienności, wynosi 58 Nm. Wartość średnia tego obciążenia kształtuje się na poziomie 183,9 Nm i jest większa od występującej w ruchu manewrowym o 38%. Na rys. 3. został przedstawiony przebieg mocy mechanicznej obciążającej silnik rozpatrywanego ciągnika kombajnu ścianowego w czasie rozpoczynania pracy kombajnu z przebiegiem prędkości przedstawionym na rys. 1. oraz obciążeniem dynamicznym przedstawionym na rys. 2. W przebiegu mocy mechanicznej obciążającej silnik w napędzie ciągnika, przedstawionej na rys. 3., występują także drgania o okresie zazębiania zębów koła napędowego ze sworzniami segmentów zębatki. W fazie rozruchu, gdy kombajn przyśpiesza do zadanej prędkości 5 m/min, moc mechaniczna silnika w napędzie ciągnika wzrasta. Po osiągnięciu ustalonej the interval of gear meshing between the wheels and the rack pegs is constant and equals 1.4 s for the assumed movement speed. Though the movement speed of the cutter loader increases in the start-up phase, the dynamic load of motors in the haulage gear drive is more or less constant as far as the average value is concerned. The dynamic torque on the motor shaft of the tested haulage gear oscillates between 110 Nm and 148 Nm, while the average value of the load is Nm. As at that time, up to the 25 th second, the face has not been cut yet, it can be assumed that this is maneuver motion of the cutter loader. When the cutting of the face begins, from the 25 th second, the dynamic loads increase and have a form of quick-change vibrations which have their source in the process of the coal solid cutting with the use of cutting heads. The peak value of the dynamic load of the haulage gear motor is 208 Nm. The amplitude of this load, understood as the range of its variability, is 58 Nm. The average value of this load is Nm and is 38% higher than the average value of the maneuver motion. Fig. 3 presents the profile of the mechanical power loading the motor of the cutter loader haulage gear at the moment when the cutter loader starts working, along with the speed profile presented in Fig. 1 and dynamic load from Fig. 2. In the profile of the mechanical power loading the motor in the haulage gear drive, featured in Fig. 3, there are also vibrations with the interval of meshing gear between the drive wheel and the rack pegs. In the start-up phase, when the cutter loader accelerates to 5 m/min, the mechanical power of the haulage gear motor increases. Once the assumed speed in the ma- Rys. 3. Moc mechaniczna silnika napędu ciągnienia [11] Fig. 3. Mechanical power of the hauling system motor [11]

26 Nr 11(501) LISTOPAD prędkości w ruchu manewrowym moc mechaniczna rozpatrywanego ciągnika osiąga średnią wartość 10,05 kw. Wartość szczytowa mocy wynosi w tym przypadku 11,08 kw, amplituda zaś 2,84 kw. W momencie rozpoczęcia urabiania ściany następuje wzrost mocy mechanicznej obciążającej silnik w napędzie rozpatrywanego ciągnika do wartości średniej, wynoszącej 13,76 kw. Wartość szczytowa mocy osiąga poziom 15,56 kw, zaś amplituda 4,47 kw. W większości stosowanych dzisiaj rozwiązań układów ciągnienia kombajnów ścianowych przemienniki częstotliwości posiadają skalarne falowniki napięcia wystarczające do prawidłowej pracy asynchronicznych silników napędowych. W przypadku zastosowania silników synchronicznych o magnesach trwałych przemienniki częstotliwości muszą posiadać wektorowo sterowane falowniki napięcia. Falownik skalarny nie nadaje się do zasilania silników synchronicznych z magnesami trwałymi. neuver motion is achieved, the mechanical power of the haulage gear reaches the value of kw. The peak value of the power is kw in this case, while the amplitude 2.84 kw. The moment the cutting on the face begins, the mechanical power loading the motor of the haulage gear increases to the average value of kw. The peak value of the power reaches kw, while the amplitude 4.47 kw. In the majority of today s hauling solutions for cutter loaders, the converters are equipped with scalar inverters which are enough to ensure proper operations of asynchronous motors. When synchronous permanent-magnet motors are used, the converters have to be equipped with vector inverters. Scalar inverters are not suitable to supply power to synchronous permanent-magnet motors. 3. SYMULACJA UKŁADU NAPĘDOWEGO CIĄGNIKA KOMBAJNU ŚCIANOWEGO Z SILNIKIEM ASYNCHRONICZNYM KLATKOWYM 3. SIMULATION OF A DRIVING SYSTEM OF A CUTTER LOADER HAULAGE GEAR WITH AN ASYNCHRONOUS MOTOR Ze względu na dostęp do danych pomiarowych kombajnu typu KSW-750E, zamieszczonych w [1], poddano symulacji komputerowej układ ciągnienia występujący w tym kombajnie. Kombajn KSW-750E o masie 42 Mg jest wyposażony w dwa organy urabiające napędzane silnikami o mocy 300 kw, przemieszczane wzdłuż ściany za pomocą dwóch ciągników elektrycznych napędzanych silnikami asynchronicznymi klatkowymi typu 2SG6 200S-4Af o mocy 60 kw każdy i prądzie znamionowym 44 A przy napięciu zasilania 1000 V i częstotliwości 50 Hz. Moment znamionowy tych silników wynosi 394 Nm, znamionowa prędkość obrotowa 1455 obr./min. Znamionowy współczynnik mocy wynosi 0,87, a sprawność znamionowa 0,91. Masa silnika wynosi 410 kg [5]. Silnik ciągnika porusza koło napędowe o zarysie ewolwentowym i liczbie zębów z = 12, współdziałające z zębatką sworzniową mechanizmu posuwu 2BP, w której nominalna podziałka sworzniowa wynosi 125 mm. Przemiennik częstotliwości zasilający silniki napędowe ciągników zapewnia płynną regulację prędkości posuwu kombajnu w zakresie od 0 do 10,5 m/min przy zachowaniu stałej wartości momentu napędowego silnika (wartość momentu znamionowego silnika). W tym zakresie prędkości nominalna siła posuwu wynosi 334,5 kn. Przy prędkości po- As the authors had access the measurement data of the KSW-750E cutter loader, presented in [1], the hauling system of this cutter loader was selected for computer simulation. KSW-750, a 42-tonne cutter loader is equipped with two cutting heads powered by 300 kw motors, moved along the coal face by means of two electrical haulage gears powered with 2SG6 200S-4Af asynchronous squirrel-cage motors with the power of 60 kw each and rated current of 44 A, at the power voltage of 1,000 V and frequency of 50 Hz. The rated torque of these motors is 394 Nm, while the rated rotational speed 1,455 rotations/min. The rated power factor is 0.87, while the rated efficiency The motor weights 410 kg [5]. The motor of the haulage gear moves an involute drive wheel, with the number of cogs z = 12, which cooperates with the rack of the 2BP movement mechanism, where the rated pitch of teeth equals 125 mm. The converter, supplying power to the motors of haulage gears, ensures flexible regulation of the cutter loader movement speed in the range from 0 to 10.5 m/min at the constant value of the driving torque of the motor (value of the rated torque of the motor). In this speed range, the rated forward pressure is kn. At the movement speed from 10.5 m/min to 21.5 m/min the inverter of the converter works at

27 26 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA suwu z zakresu od 10,5 do 21,5 m/min falownik przemiennika częstotliwości pracuje przy stałej mocy, umożliwiając uzyskanie malejącej siły posuwu od 334,5 do 167,25 kn [1]. Dla powyższych danych przeprowadzono symulację urabiania ściany węglowej o długości 250 m oraz przy prędkości urabiania 5 m/min (rys. 1), co przy długości ściany 250 m daje czas urabiania ściany równy 50 min. Na podstawie danych o przekładni mechanicznej i parametrów koła napędowego współdziałającego z zębatką, przedstawionych powyżej, dla prędkości urabiania 5 m/min prędkość obrotowa wału silnika napędowego ciągnika wynosi 713 obr./min. Silnik napędowy jest zatem zasilany z przemiennika z częstotliwością narastającą od 1 Hz do wartości 24,5 Hz w 18. sekundzie z uwzględnieniem poślizgu przy obciążeniu silnika momentem. Następnie przez 50 minut urabianie realizowane jest ze stałą prędkością. Na rys. 4. został przedstawiony przebieg prędkości obrotowej i momentu elektromagnetycznego wytwarzanego przez silnik w czasie rozpoczynania pracy kombajnu. W przedstawionym tu przebiegu prędkości obrotowej wału silnika można wyróżnić następujące charakterystyczne wartości. W czasie 2,5 sekundy od włączenia prędkość obrotowa wału silnika osiąga wartość 242 obr./min. W 18. sekundzie prędkość obrotowa ustala się i w przedziale czasowym pomiędzy 18. a 25. sekundą średnia wartość prędkości obrotowej wału silnika wynosi 719 obr./min. Jest to jeszcze ruch manewrowy. Od 25. sekundy następuje rozpoczęcie urabiania ściany i w tym czasie na skutek zwiększonego momentu obciążenia zwiększa się poślizg silnika zasilanego ze stałą częstotliwością, a prędkość obrotowa spada. W przedziale czasowym pomiędzy 25. a 40. sekundą średnia wartość prędkości constant power enabling to achieve the decreasing forward pressure from kn to kn [1]. The above data were used to make a simulation of a 250-metre coal face mining at the cutting speed of 5 m/min (Fig. 1). This gives the mining time equal to 50 min. Based on the data about the gear and the above presented parameters of the drive wheel cooperating with the rack, for the cutting speed of 5 m/min, the rotational speed of the shaft of the haulage gear motor is 713 rotations/min. Thus the driving motor is supplied from the converter with the frequency increasing from 1 Hz to 24.5 Hz in the 18 th second while the slip of the motor load torque is taken into consideration. Then, for 50 minutes, the cutting is carried out at constant speed. Fig. 4 features the profile of rotational speed and electromagnetic torque produced by the motor at the moment the cutter loader starts working. The profile of the rotational speed, presented in Fig. 4, shows the following characteristic values. 2.5 seconds after the switch-on, the rotational speed of the motor shaft achieves 242 rotations/min. In the 18 th second the rotational speed gets constant and in the period between the 18 th and 25 th second the average value of the rotational speed of the motor shaft is 719 rotations/min. This is still maneuver motion. In the 25 th second the cutting of the face begins and at that time, due to the increased load torque, the slip of the motor, supplied with constant frequency, increases, while the rotational speed drops. Between the 25 th and 40 th second the average value of the rotational speed of the shaft is 713 rota- Rys. 4. Przebieg prędkości obrotowej i momentu elektromagnetycznego wytwarzanego przez silnik [11] Fig. 4. Rotational speed and electromagnetic torque produced by the motor [11]

28 Nr 11(501) LISTOPAD obrotowej wału silnika wynosi 713 obr./min. W przedstawionym na rys. 4. przebiegu momentu elektromagnetycznego można wyróżnić dwa charakterystyczne przedziały. Do 25. sekundy, czyli w ruchu manewrowym, średnia wartość momentu wynosi 134 Nm. Podczas urabiania ściany, czyli w przedziale czasowym pomiędzy 25. a 40. sekundą średnia wartość momentu wynosi 184 Nm. Na rys. 5. został przedstawiony przebieg oddawanej mocy mechanicznej i pobieranej mocy elektrycznej przez silnik napędu posuwu w czasie rozpoczynania pracy przez kombajn ścianowy. W przedstawionym tu przebiegu mocy można wyróżnić następujące charakterystyczne wartości. W przedziale czasowym pomiędzy 18. a 25. sekundą, czyli podczas ruchu manewrowego z ustaloną prędkością, średnia wartość mocy mechanicznej oddawanej przez silnik wynosi 10,09 kw, a mocy elektrycznej pobieranej 11,24 kw. W przedziale czasowym pomiędzy 25. a 40. sekundą, czyli podczas urabiania ściany z ustaloną prędkością, średnia wartość mocy mechanicznej oddawanej przez silnik wynosi 13,75 kw, a mocy elektrycznej pobieranej 15,25 kw. tions/min. In the profile of the electromagnetic torque, presented in Fig. 4, it is possible to distinguish two characteristic phases. Up to the 25 th second, i.e. during the maneuver motion, the average value of the torque is 134 Nm. During the cutting operations of the face, i.e. between the 25 th and 40 th second, the average value of the torque is 184 Nm. Fig. 5 presents the profile of the mechanical output power and electrical input power of the movement driving motor at the moment when the cutter loader starts working. The power profile, presented in Fig. 5, allows to distinguish the following characteristic values. Between the 18 th and 25 th second, i.e. during the maneuver motion with set speed, the average value of the mechanical output power of the motor is kw, while the electrical input power kw. Between the 25 th and 40 th second, i.e. when the coal face is cut with set speed, the average mechanical output power of the motor is kw, while the electrical input power kw. Rys. 5. Przebieg mocy mechanicznej oddawanej i mocy elektrycznej pobieranej przez silnik [11] Fig. 5. Profile of the mechanical output power and electrical input power of the motor [11] Na rys. 6. został przedstawiony przebieg współczynnika mocy i sprawności silnika napędu posuwu w tym czasie. W przedstawionym tu przebiegu współczynnika mocy można wyróżnić następujące charakterystyczne wartości. W przedziale czasowym pomiędzy 18. a 25. sekundą, czyli podczas ruchu manewrowego z ustaloną prędkością, średnia wartość współczynnika mocy wynosi 0,602, a średnia wartość sprawności wynosi 0,898. Pojawienie się w 25. sekundzie sprawności wyższej od 1 wynika z faktu, że w 25. sekundzie następuje nagły wzrost momentu ob- Fig. 6 features the profile of the power factor and the efficiency of the movement driving motor during that time. In Fig. 6 it is possible to distinguish the following characteristic values. Between the 18 th and 25 th second, i.e. during the maneuver motion with set speed, the average value of the power factor is 0.602, while the average value of efficiency In the 25 th second the efficiency is higher than 1 which results from the fact that in the 25 th second there is a sudden increase of the load torque due to the contact of the cutting head with the coal face. As a result of that, the

29 28 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Rys. 6. Przebieg współczynnika mocy i sprawności silnika [11] Fig. 6. Profile of power factor and motor efficiency [11] ciążenia na skutek kontaktu organu urabiającego ze ścianą węglową, co powoduje szybkie zmniejszenie się prędkości obrotowej wirnika silnika napędowego i wykorzystanie energii kinetycznej, zgromadzonej w wirujących masach wirnika. Pozwala to dostarczyć w krótkim czasie więcej mocy mechanicznej, niż pobiera silnik z sieci. W przedziale czasowym pomiędzy 25. a 40. sekundą, czyli podczas urabiania ściany z ustaloną prędkością, średnia wartość współczynnika mocy wynosi 0,706, a średnia wartość sprawności 0,902. Na rys. 7. zostały przedstawione przebiegi wartości skutecznej prądu płynącego przez silnik napędu posuwu oraz prądu płynącego z sieci w tym czasie. rotational speed of the rotor in the driving motor decreases quickly and the kinetic energy stored in the rotor is used. Thanks to that, more mechanical power is supplied than the motor takes from the grid. Between the 25 th and 40 th second, i.e. when the coal face is cut with set speed, the average value of the power factor is 0.706, while the average value of efficiency Fig. 7 presents the profiles of rms current flowing through the movement driving motor and rms line current at the same time. Rys. 7. Przebiegi wartości skutecznej prądu płynącego przez silnik i prądu płynącego z sieci [11] Fig. 7. Profiles of rms current flowing through the motor and rms line current [11]

30 Nr 11(501) LISTOPAD W przedstawionym na rys. 7. przebiegu wartości skutecznej prądu płynącego przez silnik można wyróżnić następujące charakterystyczne wartości: w przedziale czasowym pomiędzy 18. a 25. sekundą, czyli podczas ruchu manewrowego z ustaloną prędkością, średnia wartość wartości skutecznej prądu płynącego przez silnik wynosi 21,8 A, natomiast średnia wartość skuteczna prądu płynącego z sieci do przemiennika częstotliwości zasilającego silnik wynosi 10,8 A; w przedziale czasowym pomiędzy 25. a 40. sekundą, czyli podczas urabiania ściany z ustaloną prędkością, średnia wartość skuteczna prądu płynącego przez silnik wynosi 25,2 A, natomiast średnia wartość skuteczna prądu płynącego z sieci do przemiennika częstotliwości zasilającego silnik wynosi 12,5 A. 4. SYMULACJA UKŁADU NAPĘDOWEGO CIĄ- GNIKA KOMBAJNU Z SILNIKIEM SYNCHRO- NICZNYM O MAGNESACH TRWAŁYCH In Fig. 7 it is possible to distinguish the following characteristic values: between the 18 th and 25 th second, i.e. during the maneuver motion with set speed, the average value of rms current flowing through the motor is 21.8 A, while the average value of rms line current flowing to the converter, which supplies energy to the motor, is 10.8 A. Between the 25 th and 40 th second, i.e. when the face is cut with set speed, the average value of rms current flowing through the motor is 25.2 A, while the average rms line current flowing to the converter is 12.5 A. 4. SIMULATION OF A DRIVING SYSTEM OF A CUTTER LOADER HAULAGE GEAR WITH A SYNCHRONOUS PERMANENT- MAGNET MOTOR Zastosowanie silników synchronicznych o magnesach trwałych, charakteryzujących się większą przeciążalnością momentem obciążenia od silników asynchronicznych klatkowych, powinno polepszyć charakterystykę napędu ciągników kombajnów, w których to układach mamy do czynienia z dużą dynamiką występujących momentów obciążenia. Dodatkowo zastosowanie silników synchronicznych o magnesach trwałych, posiadających wyższą sprawność w stosunku do silników asynchronicznych klatkowych, powinno przynieść zmniejszenie wartości płynących prądów oraz zmniejszenie pobranej z sieci energii elektrycznej i związane z tym oszczędności ekonomiczne [6, 7, 10]. W celu potwierdzenia powyższych założeń przeprowadzono symulacje napędu ciągników wyposażonych w powyższe dwa typy silników. Do symulacji napędu zastosowano silnik typu LSRPM 200L1, bez klatki rozruchowej, o mocy znamionowej 65 kw, momencie znamionowym 207 Nm, prędkości znamionowej 3000 obr./min i sprawności znamionowej 96% oraz masie 153 kg [8]. Układ napędowy kombajnu ścianowego, w tym przełożenie przekładni, pozostały bez zmian. Przeprowadzono symulację urabiania ściany węglowej o tej samej długości 250 m przy warunkach profilu prędkości przedstawionych na rys. 1., czyli przy prędkości urabiania 5 m/min, co przy długości ściany 250 m daje czas urabiania ściany równy 50 min. Na podstawie danych przedstawionych w punkcie 3. dla prędkości urabiania 5 m/min prędkość obrotowa wału silnika napędowego ciągnika wynosi The use of synchronous permanent-magnet motors, which have higher load torque than asynchronous squirrel-cage motors, should improve the characteristics of cutter loader haulage gears drives. In these drives there is high dynamics of load torques. Additionally, the use of synchronous permanentmagnet motors, which have higher efficiency than asynchronous squirrel-cage motors, should decrease the values of flowing currents and lower the use of electrical energy thus bring certain economical profits [6, 7, 10]. In order to confirm the above assumptions, there was a simulation made of haulage gears drives equipped with two above mentioned types of motors. To conduct the simulation, an LSRPM 200L1 motor was used: without a cage, with rated power of 65 kw, rated torque 207 Nm, rated speed 3,000 rotations/min, rated efficiency 96%, and weight 153 kg [8]. The driving system of the cutter loader, including the gear position, remained unchanged. There was a simulation carried out for a coal face of the same length (250 m) at the speed profile conditions from Fig. 1, i.e. cutting speed of 5 m/min, which results in the cutting time of the face equal to 50 min. Based on the data presented in section 3, for the cutting speed of 5 m/min, the rotational speed of the motor shaft in the driving motor of the cutter loader is 713 rotations/min. Thus the motor is sup-

31 30 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 713 obr./min. Silnik napędowy jest zatem zasilany z przemiennika częstotliwości, w którym falownik wyjściowy steruje silnikiem, wykorzystując wektorowy algorytm sterowania z nadrzędną regulacją prędkości [9]. Prędkość obrotowa silnika narasta do 18. sekundy zgodnie z profilem prędkości posuwu kombajnu przedstawionym na rys. 1. Od 18. sekundy prędkość obrotowa silnika nie zmienia się i jest stała pomimo rozpoczęcia w 25. sekundzie urabiania ściany. Następnie przez 50 minut urabianie realizowane jest ze stałą prędkością. Na rys. 8. został przedstawiony przebieg prędkości obrotowej i momentu elektromagnetycznego wytwarzanego przez silnik w czasie rozpoczynania pracy kombajnu. plied from the converter, in which the output inverter controls the motor with the use of the vector control algorithm with superior speed regulation [9]. The rotational speed of the motor increases up to the 18 th second in compliance with the profile of the cutter loader movement speed presented in Fig. 1. From the 18 th second the rotational speed of the motor does not change and remains constant, though the cutting of the coal face begins in the 25 th second. Then, for 50 minutes, the cutting is carried out with constant speed. Fig. 8 presents the profile of the rotational speed and electromagnetic torque produced by the motor at the moment the cutter loader starts working. Rys. 8. Przebieg prędkości obrotowej i momentu elektromagnetycznego wytwarzanego przez silnik [11] Fig. 8. Profile of rotational speed and electromagnetic torque produced by the motor [11] W przedstawionym na rys. 8. przebiegu prędkości obrotowej wału silnika można wyróżnić następujące charakterystyczne wartości: w czasie 2,5 sekundy od włączenia prędkość obrotowa wału silnika osiąga wartość 243 obr./min; w 18. sekundzie prędkość obrotowa ustala się i w przedziale czasowym pomiędzy 18. a 25. sekundą średnia wartość prędkości obrotowej wału silnika wynosi 713 obr./min. Jest to jeszcze ruch manewrowy. Od 25. sekundy następuje rozpoczęcie urabiania ściany i w tym czasie pomimo zwiększonego momentu obciążenia prędkość obrotowa wału silnika nie zmienia się, ponieważ wirnik silnika wiruje z prędkością synchroniczną do częstotliwości zasilania silnika. Zwiększa się tylko kąt opóźnienia wektora strumienia magnetycznego, wytwarzanego przez magnesy trwałe umieszczone w wirniku, w stosunku do wektora pola elektromagnetycznego, wytwarzanego przez stojan. W przedziale czasowym pomiędzy 25. a 40. sekundą średnia wartość prędkości obrotowej wału silnika wynosi zatem In Fig. 8 it is possible to distinguish the following characteristic values: 2.5 seconds after the switch-on the rotational speed of the motor shaft achieves 243 rotations/min, in the 18 th second the rotational speed gets constant and in the period between the 18 th and 25 th second the average value of the rotational speed of the motor shaft is 713 rotations/min. This is still maneuver motion. From the 25 th second the coal face starts to be cut and at that time, though the load torque is higher, the rotational speed of the motor shaft does not change because the rotor rotates with the speed which is synchronous with the frequency of the energy supplied to the motor. What is bigger is the delay angle of the vector of the magnetic flux produced by permanent magnets placed in the rotor, in relation to the vector of the electromagnetic field produced by the stator. Thus, between the 25 th and 40 th second the average value of rotational speed of the motor shaft is also 713 rotations/min. In Fig. 8 it is possible to distinguish two characteristic phases in

32 Nr 11(501) LISTOPAD również 713 obr./min. W przedstawionym na rys. 8. przebiegu momentu elektromagnetycznego można wyróżnić dwa charakterystyczne przedziały. Do 25. sekundy, czyli w ruchu manewrowym, średnia wartość momentu wynosi 134 Nm. Podczas urabiania ściany, czyli w przedziale czasowym pomiędzy 25. a 40. sekundą, średnia wartość momentu wynosi 184 Nm. Na rys. 9. został przedstawiony przebieg oddawanej mocy mechanicznej i pobieranej mocy elektrycznej przez silnik napędu posuwu w czasie rozpoczynania pracy przez kombajn ścianowy. the profile of the electromagnetic torque. Up to the 25 th second, i.e. during the maneuver motion, the average value of the torque is 134 Nm. During the cutting operations on the coal face, i.e. between the 25 th and 40 th second, the average value of the torque is 184 Nm. Fig. 9 features the profile of the mechanical output power and electrical input power of the movement driving motor at the moment when the cutter loader starts working. Rys. 9. Przebieg mocy mechanicznej oddawanej i mocy elektrycznej pobieranej przez silnik [11] Fig. 9. Profile of mechanical output power and electrical input power of the motor [11] W przedstawionym na rys. 9. przebiegu mocy można wyróżnić następujące charakterystyczne wartości: w przedziale czasowym pomiędzy 18. a 25. sekundą, czyli podczas ruchu manewrowego z ustaloną prędkością, średnia wartość mocy mechanicznej oddawanej przez silnik wynosi 10,02 kw, a mocy elektrycznej pobieranej 10,7 kw; w przedziale czasowym pomiędzy 25. a 40. sekundą, czyli podczas urabiania ściany z ustaloną prędkością, średnia wartość mocy mechanicznej oddawanej przez silnik wynosi 13,72 kw, a mocy elektrycznej pobieranej 14,87 kw. Na rys. 10. został przedstawiony przebieg współczynnika mocy i sprawności silnika napędu posuwu w tym czasie. W przedstawionym tu przebiegu współczynnika mocy można wyróżnić następujące charakterystyczne wartości: w przedziale czasowym pomiędzy 18. a 25. sekundą, czyli podczas ruchu manewrowego z ustaloną prędkością, średnia wartość współczynnika mocy wynosi 0,915, a średnia wartość sprawności wynosi 0,937. Pojawienie się w 25. sekundzie sprawności wyższej od 1 wynika z faktu, że w 25. sekundzie następuje nagły wzrost momentu In the power profile presented in Fig. 9 it is possible to distinguish the following characteristic values: between the 18 th and 25 th second, i.e. during the maneuver motion with set speed, the average value of mechanical output power of the motor is kw, and the electrical input power 10.7 kw; between the 25 th and 40 th second, i.e. when the coal face is cut with set speed, the average value of mechanical output power of the motor is kw, and the electrical input power kw. Fig. 10. presents the profile of the power factor and efficiency of the movement driving motor at that time. In the profile presented in Fig. 10 it is possible to distinguish the following characteristic values: between the 18 th and 25 th second, i.e. during the maneuver motion with set speed, the average value of the power factor is 0.915, while the average value of efficiency In the 25 th second the efficiency gets higher than 1 due to the fact that in the 25 th second there is a sudden increase of the load torque resulting from the contact of the cutting organ with the

33 32 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Rys. 10. Przebieg współczynnika mocy i sprawności silnika [11] Fig. 10. Profile of power factor and efficiency of the motor [11] obciążenia na skutek kontaktu organu urabiającego ze ścianą węglową, powodujący szybką zmianę kąta opóźnienia wektora strumienia magnetycznego wytwarzanego przez magnesy trwałe umieszczone w wirniku w stosunku do wektora pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez stojan, co skutkuje dynamiczną zmianą prędkości obrotowej wirnika silnika napędowego i wykorzystanie energii kinetycznej zgromadzonej w wirujących masach wirnika. To z kolei pozwala dostarczyć w krótkim czasie więcej mocy mechanicznej, niż pobiera silnik z sieci. W przedziale czasowym pomiędzy 25. a 40. sekundą, czyli podczas urabiania ściany z ustaloną prędkością, średnia wartość współczynnika mocy wynosi 0,859, a średnia wartość sprawności wynosi 0,923. Na rys. 11. został przedstawiony przebieg wartości skutecznej prądu płynącego przez silnik napędu posuwu oraz prądu płynącego z sieci w tym czasie. coal face, which causes a quick change in the delay angle of the vector of the magnetic flux produced by permanent magnets placed in the rotor, in relation to the vector of the electromagnetic field produced by the stator. This results in dynamically changing rotational speed of the rotor and the use of kinetic energy stored in the rotor. This, in turn, allows to provide, in a short time, more mechanical power than the amount taken by the motor from the grid. Between the 25 th and 40 th second, i.e. when the coal face is cut with constant speed, the average value of the power factor is 0.859, and the average value of efficiency Fig. 11 presents the profile of rms current flowing through the movement driving motor and rms line current flowing at the same time. Rys. 11. Przebiegi wartości skutecznej prądu płynącego przez silnik i prądu płynącego z sieci [11] Fig. 11. Profile of rms current flowing through the motor and rms line current [11]

34 Nr 11(501) LISTOPAD W przedstawionym na rys. 11. przebiegu wartości skutecznej prądu płynącego przez silnik można wyróżnić następujące charakterystyczne wartości: w przedziale czasowym pomiędzy 18. a 25. sekundą, czyli podczas ruchu manewrowego z ustaloną prędkością, średnia wartość skuteczna prądu płynącego przez silnik wynosi 23,3 A, natomiast średnia wartość skuteczna prądu płynącego z sieci do przemiennika częstotliwości zasilającego silnik wynosi 6,8 A. W przedziale czasowym pomiędzy 25. a 40. sekundą, czyli podczas urabiania ściany z ustaloną prędkością, średnia wartość skuteczna prądu płynącego przez silnik wynosi 31,8 A, natomiast średnia wartość skuteczna prądu płynącego z sieci do przemiennika częstotliwości zasilającego silnik wynosi 10 A. In Fig. 11 it is possible to distinguish the following characteristic values: between the 18 th and 25 th second, i.e. during the maneuver motion with set speed, the average rms current flowing through the motor is 23.3 A, while the average value of rms line current flowing to the converter, which supplies energy to the motor, is 6.8 A. Between the 25 th and 40 th second, i.e. when the coal face is cut with set speed, the average rms current flowing through the motor is 31.8 A, while the average value of rms line current flowing to the frequency converter is 10 A. 5. ANALIZA EKONOMICZNA NAPĘDÓW CIĄ- GNIKA KOMBAJNU Z SILNIKIEM KLATKO- WYM ORAZ Z SILNIKIEM O MAGNESACH TRWAŁYCH 5. ECONOMICAL ANALYSIS OF DRIVES OF A CUTTER LOADER HAULAGE GEAR WITH A SQUIRREL-CAGE MOTOR AND WITH A PERMANENT-MAGNET MOTOR W celu przeprowadzenia analizy ekonomicznej napędu ciągnika kombajnu wyposażonego w silnik asynchroniczny klatkowy oraz w silnik synchroniczny o magnesach trwałych w tabeli 1. zostały przedstawione niektóre parametry, mające wpływ na efektywność ekonomiczną napędu, uzyskane na drodze symulacji komputerowej dla 3 różnych prędkości urabiania ściany węglowej. In order to conduct an economical analysis of a cutter loader haulage gear drive equipped with an asynchronous squirrel-cage motor and with a synchronous permanent-magnet motor, some parameters were presented (table 1) which influence economical efficiency of the drive. The parameters were achieved by means of computer simulations for three different speed values of coal face cutting. Wybrane parametry mające wpływ na ekonomikę porównywanych napędów [11] Tabela 1. Typ silnika napędowego Silnik asynchroniczny klatkowy Silnik synchroniczny o magnesach trwałych Parametry pracy kombajnu Urabianie ściany o długości 250 m z prędkością Urabianie ściany o długości 250 m z prędkością Parametry 5 m/min 10 m/min 20 m/min 5 m/min 10 m/min 20 m/min Moc elektryczna pobierana z sieci 15,25 kw 30,35 kw 60,27 kw 14,87 kw 29,24 kw 57,97 kw Współczynnik mocy 0,706 0,706 0,87 0,859 0,854 0,966 Sprawność 0,902 0,911 0,912 0,923 0,943 0,952 Wartość skuteczna prądu płynącego z sieci 12,5 A 24,8 A 40 A 10 A 19,8 A 34,5 A Zużyta energia elektryczna na urabianie ściany 12,71 kwh 12,65 kwh 12,56 kwh 12,39 kwh 12,18 kwh 12,08 kwh Moc cieplna wydzielana w silniku 1,5 kw 2,88 kw 5,29 kw 1,15 kw 1,72 kw 2,96 kw Selected parameters influencing the economical efficiency of compared drives [11] Table 1. Type of driving motor Asynchronous squirrel-cage motor Synchronous permanent-magnet motor Cutter loader working parameters Cutting a 250-m coal face with the speed of Cutting a 250-m coal face with the speed of Parameters 5 m/min 10 m/min 20 m/min 5 m/min 10 m/min 20 m/min Electric power from the grid kw kw kw kw kw kw Power factor Efficiency Rms line current 12.5 A 24.8 A 40 A 10 A 19.8 A 34.5 A Electrical energy used for cutting the face kwh kwh kwh kwh kwh kwh Thermal power emitted in the motor 1.5 kw 2.88 kw 5.29 kw 1.15 kw 1.72 kw 2.96 kw

35 34 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Na podstawie symulacji komputerowych napędu ciągnika kombajnu wykonanego w sposób klasyczny z silnikiem asynchronicznym klatkowym zasilanym poprzez przemiennik częstotliwości ze skalarnym falownikiem napięcia oraz wykorzystującym nowoczesny silnik synchroniczny o magnesach trwałych zasilany za pomocą przemiennika częstotliwości z wektorowym falownikiem napięcia należy stwierdzić, że zastosowanie nowoczesnego silnika o magnesach trwałych przynosi efekty ekonomiczne. Moc elektryczna pobierana z sieci zasilającej jest mniejsza średnio o 3,5%. Współczynnik mocy jest wyższy średnio o 17%. Sprawność układu napędowego jest wyższa średnio o 3,5%. Wartość skuteczna prądu płynącego z sieci zasilającej jest niższa średnio o 17%. Zużyta energia elektryczna podczas procesu urabiania ściany węglowej jest niższa średnio o 3,5%. Dzięki zastosowaniu wysokosprawnego silnika najbardziej jednak spada wydzielana w silniku moc cieplna, którą trzeba odprowadzić za pomocą układu chłodzenia. Średnia wartość mocy cieplnej wydzielanej w silniku napędowym dla analizowanych prędkości posuwu jest niższa o 40%. Daje to bardzo duże korzyści ekonomiczne przede wszystkim w postaci zmniejszenia układu chłodzenia silnika, a tym samym możliwości zastosowania znacznie tańszych układów chłodzenia o mniejszych gabarytach. Powyższe wnioski obrazuje tabela 2., w której przedstawiono procentowe zyski wynikające z zastosowania w napędzie ciągnika kombajnu ścianowego wysokosprawnych, nowoczesnych silników z magnesami trwałymi zamiast obecnie stosowanych silników asynchronicznych klatkowych. Wyniki są prezentowane w tabeli w związku z prędkością urabiania ściany węglowej. Based on the computer simulations of the cutter loader haulage gear drive with an asynchronous squirrel-cage motor, supplied by a converter with a scalar inverter, and the drive equipped with a modern synchronous permanent-magnet motor, supplied by a converter with a vector inverter, it is evident that the use of the latter brings significant economical profits. The volume of electrical power input from the grid is on average lower by 3.5%. The power factor is on average higher by 17%. The efficiency of the driving system is on average higher by 3.5%. The rms line current is on average lower by 17%. The electrical energy used during the coal face mining process is on average lower by 3.5%. Thanks to the use of a high-efficiency motor, the most significant decrease can be observed in the thermal power emitted in the motor, which has to be carried away by a cooling system. The average value of the thermal power emitted in the driving motor, for the analyzed movement speed values, is lower by 40%. This gives very significant economical profits, particularly with respect to a cooling system which can be smaller and cheaper. The above conclusions are presented in table 2 which features percentagebased profits resulting from the application in the cutter loader drives of high-efficiency modern permanent-magnet motors in the place of currently used asynchronous squirrel-cage motors. The results are presented in the table against the coal face cutting speed. Korzyści ekonomiczne wynikające z zastosowania nowoczesnego i wysokosprawnego silnika napędowego [11] Tabela 2. Typ silnika napędowego Silnik synchroniczny o magnesach trwałych Parametry Urabianie ściany węglowej o długości 250 m z prędkością 5 m/min 10 m/min 20 m/min Zmniejszenie poboru energii elektrycznej z sieci zasilającej 2,5% 3,7% 3,8% Zmniejszenie wartości skutecznej prądu płynącego z sieci zasilającej 20% 20,2% 13,8% Zmniejszenie wydzielanej mocy cieplnej w silniku napędowym 23,3% 40,3% 44% Table 2. Economical profits resulting from the use of a modern, high-efficiency driving motor [11] Type of driving motor Synchronous permanent-magnet motor Parameters Cutting a 250-m coal face with the speed of 5 m/min 10 m/min 20 m/min Lower electrical energy use from the grid 2.5% 3.7% 3.8% Lower rms current flowing from the grid 20% 20.2% 13.8% Lower thermal power emitted in the driving motor 23.3% 40.3% 44%

36 Nr 11(501) LISTOPAD PODSUMOWANIE 6. SUMMARY Przeprowadzone symulacje komputerowe i analizy ekonomiczne dowodzą, iż zastosowanie nowoczesnych silników synchronicznych o magnesach trwałych, zasilanych poprzez przemienniki częstotliwości wyposażone w wektorowe falowniki napięcia, w miejsce obecnie powszechnie stosowanych silników asynchronicznych klatkowych, zasilanych poprzez przemienniki częstotliwości wyposażone w skalarne falowniki napięcia, jest zasadne ekonomicznie oraz przynosi wyraźną poprawę parametrów dynamicznych układów napędowych ciągników kombajnów ścianowych. Na podstawie parametrów przedstawionych w tabeli 2. można stwierdzić, że największe korzyści ekonomiczne z zastosowania nowoczesnego, wysokosprawnego silnika o magnesach trwałych przynosi znaczne zmniejszenie ilości ciepła wydzielanego podczas pracy kombajnu w silniku napędowym. Dzięki zastosowaniu silnika napędowego nowego typu układ chłodzenia odprowadza o 44% mniej ciepła, przy maksymalnej prędkości urabiania, w stosunku do starego typu silników, w których z odprowadzaniem zawsze jest duży problem. Moc znamionowa układu chłodzenia może być zatem zmniejszona o prawie połowę, co prowadzi do znacznego zmniejszenia gabarytów układu chłodzenia i kosztów z tym związanych. The conducted computer simulations and economical analyses prove that the use of modern synchronous permanent-magnet motors, supplied by converters with vector inverters, in the place of commonly used asynchronous squirrel-cage motors, supplied by converters with scalar inverters, is economically justified and brings a significant improvement of dynamic parameters of cutter loader haulage gears drives. Based on the parameters presented in table 2 it can be seen that the biggest economical profits related to the use of modern, high-efficiency permanent-magnet motors are achieved due to lower emission of heat in the driving motor. Thanks to the use of this new-type motor at the maximum cutting speed, the cooling system has to carry away 44% less heat than in the case of old-type motors in which this process has always been problematic. Thus the rated power of the cooling system can be reduced almost by half which allows to have smaller and cheaper cooling equipment. Literatura 1. Sikora W., Dolipski M., Cheluszka P. i in.: Obciążenia dynamiczne w układach ciągnienia wysokowydajnych kombajnów ścianowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Katalogi producenta kombajnów ścianowych firmy KOPEX [online], dostępny w Internecie: (dostęp: ). 3. Dolipski M., Cheluszka P.: Dynamika układu urabiania kombajnu chodnikowego, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Symulator układów energoelektronicznych PSIM v.7.1 [online], dostępny w Internecie: (dostęp: ). 5. Katalogi producenta silników elektrycznych do zastosowań górniczych firmy DAMEL S.A. [online], dostępny w Internecie: (dostęp: ). 6. Rossa R.: Przegląd silników elektrycznych z magnesami trwałymi, Biuletyn Portalu Efektywności Energetycznej w Napędach Elektrycznych PEMP, 2010 nr 1/10, s Król E.: Porównanie efektywności energetycznej silników z magnesami trwałymi i silników indukcyjnych, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, 2007 nr 78, s Katalog firmy Leroy Somer producenta silników z magnesami trwałymi: LSRPM-PLSRPM Synchronous motors with permanent magnets 0,75 to 400 kw Technical catalogue. References 1. Sikora W., Dolipski M., Cheluszka P. et al.: Obciążenia dynamiczne w układach ciągnienia wysokowydajnych kombajnów ścianowych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Katalogi producenta kombajnów ścianowych firmy KOPEX [online], available at: html (accessed on: ). 3. Dolipski M., Cheluszka P.: Dynamika układu urabiania kombajnu chodnikowego, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Symulator układów energoelektronicznych PSIM v.7.1 [online], available at: (accessed on: ). 5. Katalogi producenta silników elektrycznych do zastosowań górniczych firmy DAMEL S.A. [online], available at: (accessed on: ). 6. Rossa R.: Przegląd silników elektrycznych z magnesami trwałymi, Biuletyn Portalu Efektywności Energetycznej w Napędach Elektrycznych PEMP, 2010 No 1/10, pp Król E.: Porównanie efektywności energetycznej silników z magnesami trwałymi i silników indukcyjnych, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, 2007 No 78, pp Katalog firmy Leroy Somer producenta silników z magnesami trwałymi: LSRPM-PLSRPM Synchronous motors with permanent magnets 0,75 to 400 kw Technical catalogue.

37 36 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 9. Rossa R., Król E.: Dwustrefowa regulacja prędkości obrotowej w nowoczesnych napędach elektrycznych opartych na silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, 2009 nr 81, s Strony internetowe Branżowego Ośrodka Badawczo-Rozwojowego Maszyn Elektrycznych KOMEL: katowice.pl/pm_maszyny.html (dostęp: ). 11. Dokumentacja pracy badawczej pt. Symulacja komputerowa układów napędowych kombajnu z silnikiem klatkowym oraz z magnesami trwałymi wraz z analizą. Instytut Technik Innowacyjnych EMAG, Katowice 2012, niepublikowane. 9. Rossa R., Król E.: Dwustrefowa regulacja prędkości obrotowej w nowoczesnych napędach elektrycznych opartych na silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, 2009 No 81, pp Website of Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych KOMEL: maszyny.html (accessed on: ). 11. Documentation of the research work Symulacja komputerowa układów napędowych kombajnu z silnikiem klatkowym oraz z magnesami trwałymi wraz z analizą. Instytut Technik Innowacyjnych EMAG, Katowice 2012, not published. Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów. The article was reviewed by two independent reviewers. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРИВОДА ПОДАЧИ ШАХТНОГО ОЧИСТНОГО КОМБАЙНА В СЛУЧАЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЛЕТОЧНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ И БЕСКОЛЛЕКТОРНОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ В данной работе представлены результаты выполненного с использованием компьютерного моделирования сравнительного анализа привода подачи шахтного очистного комбайна, оснащённого двумя типами приводных двигателей клеточным асинхронным двигателем и бесколлекторным синхронным двигателем с постоянными магнитами. Компьютерный анализ традиционного привода подачи комбайна с клеточным асинхронным двигателем, питаемым через преобразователь частоты, оснащённый скалярным инвертором, предоставляющим возможность непрерывно регулировать скорость движения подачи комбайна, дал возможность определить подробные электрические и механические параметры данного привода. Затем компьютерному моделированию подвергнуто приводную систему подачи, заменяя клеточный асинхронный двигатель на современный, энергоэффективный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Полученные результаты были проанализированы с точки зрения электрических, механических и экономических параметров. На основании проведённых анализов можно сделать вывод, что использование синхронного двигателя с постоянными магнитами для привода подачи шахтного очистного комбайна улучшает динамические характеристики привода, а также снижает потребление энергии, тем самым позволяя достигнуть экономический эффект. Самые большие выгоды от использования высокоэффективного двигателя с постоянными магнитами состоят в значительном снижении тепловыделения в приводном двигателе, что может привести к уменьшению системы охлаждения. Полученные динамические, экономические и, прежде всего, тепловые характеристики привода, оснащённого двигателем с постоянными магнитами вместо обычно используемого клеточного асинхронного двигателя, убеждают в использовании двигателей данного типа в приводах подачи шахтных очистных комбайнов.

38 GÁBOR LADÁNYI PhD associate professor, University of Miskolc ERVIN NAGY head of department, Mátra Power Plant PC Skomputeryzowany system weryfikacji pracy przenośników taśmowych Computer AIDED system for verification of belt conveyors Przenośniki są ważnymi elementami systemów przenoszenia materiałów w wielu działach przemysłu, zwłaszcza w przemyśle wydobywczym. Energia elektryczna używana do napędzania przenośników taśmowych w kopalniach odkrywkowych jest istotnym elementem kosztów zakładu górniczego. Dlatego też każdy rodzaj oszczędności uzyskany w tym zakresie skutkuje znaczną i zauważalną obniżką stałych kosztów przedsiębiorstwa [2, 3, 4]. Aby oszczędzać energię elektryczną, należy najpierw przeanalizować system napędowy, a następnie zidentyfikować punkty, w których możliwa jest oszczędność energii. Artykuł przedstawia model wspomaganego komputerowo systemu przenośnika taśmowego. Model pracuje z programem EXCEL. Wyniki uzyskane z analizy pracy programu mogą zostać użyte do wspomagania decyzji użytkowników przenośnika taśmowego. Model może być też wykorzystany do celów edukacyjnych. In many industries, conveyors are an important part of a material handling system especially in mining industries. Electric power that is used for driving belt conveyors of surface mines is a significant item among the costs of a mining plant [2, 3, 4]. Hence, every saving achieved in this area results in a major and remarkable reduction of the fixed costs for the company. To save electric power the best way is to first examine a driving system and identify the right point of energy saving. The paper deals with the presentation of features of a computer aided model of conveyor belt. The model was developed to run with EXCEL. The results obtained from program running can be used to help making a good decision for the users of conveyor belt. On the other hand it can be used in the education too. 1. WPROWADZENIE 1. INTRODUCTION Parametry transportu i warunki eksploatacji przenośników taśmowych w górnictwie odkrywkowym są bardzo zróżnicowane. Jedną z głównych przyczyn tego stanu rzeczy jest fakt, że miejsca załadunku, jak również wyładunku materiału z przenośników zmieniają się w stosunkowo krótkich odcinkach czasu. Dodatkowo zmiany te mają charakter cykliczny. Zasadnicza i relatywnie szybko następująca zmiana w warunkach pracy najczęściej powodowana jest przez czynniki pogodowe. Przykładowo na warunki Transport parameters and operational conditions of belt conveyors operating in opencast mines vary in a wide range. One of the main reasons comes from the special feature of the mining transport that the loading position of the conveyors and even the material discharge are varying, within a relatively narrow time interval. In addition, the change is often of a cyclic nature. The essential and relatively shortterm change in the operational conditions is most often caused by the change in the weather conditions.

39 38 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA eksploatacji przenośnika taśmowego znaczący wpływ może mieć ocieplenie spowodowane promieniami słonecznymi, ale też zamoknięcie spowodowane deszczem lub mgłą. Istotne zmiany zachodzące w dłuższej perspektywie czasowej wynikają z zużycia elementów mechanizmu przenośnika. Odpowiednio dobrany system napędowy powinien dostarczać mocy wystarczającej do przesuwu materiału transportowanego oraz wymaganej siły ciągu nawet w najbardziej ekstremalnych warunkach. W artykule opisano jedynie dwa ekstremalne przypadki, dobrze znane specjalistom od przenośników: uruchomienie przenośnika naładowanego na całej swojej długości, eksploatacja przy współczynniku tarcia większym niż średni, np. w warunkach zimowych. Przy obniżonych wymaganiach transportu lub udoskonalonych warunkach ruchu zainstalowanie napędu o mocy wystarczającej do zasilania przenośnika w warunkach ekstremalnych byłoby nadmierną inwestycją. Poprzez częściowe wyłączenie mocy napędu (napędów) można oszczędzać energię w systemie napędowym, a nadwyżka energii może być użyta w odpowiednim czasie zawsze, kiedy wymagają tego okoliczności. Jednakże decyzja o wyłączeniu i ponownym użyciu energii powinna być poprzedzona oceną. Jeżeli weźmie się pod uwagę wyniki oceny, można uniknąć błędnych decyzji. Ocena jest efektywna tylko wówczas, gdy jej wymagania czasowe są w stanie nadążyć za zmianami w warunkach eksploatacji. Skomputeryzowany system, który opisano poniżej, pracuje w środowisku EXCEL i, zgodnie z jego możliwościami obliczeniowymi, jest w stanie wyznaczyć, jak też zwizualizować, siły w taśmie przenośnika zaadaptowane do zmodyfikowanych warunków w krótkim przedziale czasowym. Ponadto po zakończeniu obliczeń program dostarcza użytkownikowi dodatkowych informacji, które pomagają w zwiększeniu bezpieczeństwa i wydajności pracy podczas eksploatacji przenośnika taśmowego. Z uwagi na swoje zalety program może być wykorzystywany także podczas różnego rodzaju szkoleń. Jego użycie pomaga zwiększyć efektywność tego typu zajęć zarówno w fazie demonstracyjnej, jak i kontrolnej, a tym samym podnosi ich atrakcyjność. Zależności zastosowane do obliczeń wynikają z węgierskiej normy MI [5]. 2. OPIS ŚRODOWISKA OPERACYJNEGO For example, warming due to sunshine or wetting due to rain or mist can have significant influence on the operating conditions of a belt conveyor. Significant changes occurring in a longer period are generally caused by wear-out of the units in the conveyor machinery. Sizing of the drive system should provide for a power necessary to the material flow demand and input the required hauling force even under extreme conditions. We describe only two of the extreme cases, both are well-known among the conveyor experts: starting the track loaded along its full length, operation at greater-than-average effective coeficient of friction:, e.g. in winter cold. At reduced transport demands or under improved conditions of motion, installation of a driving power which is able to operate a conveyor also in extreme conditions is superfluous. By partial switch-off drive unit(s) energy saving can be achieved and the drive unit(s) can be switched back in due time, whenever the circumstances make it necessary. The decision of switch-off and return should, however, be preceded by a preliminary assessment. With considering the results of this assessment incorrect decisions may be avoided. The assessment is effective only if its time requirement is able to follow changes in the operational conditions. The computerized system to be demonstrated in the following paragraphs runs in an EXCEL environment and with its computing capacity is able to determine, as well as visually represent the forces along the conveyor track. It creates the results adapted to the modified conditions in a short time frame. In addition, as a result of the completed calculations, the program provides supplemental information for the user that helps operate the belt conveyor with a greater safety and better efficiency. Apart from the above items, the program can be well utilized in training. It can help improve efficiencies of both the demonstrating and the inspection stage of training, thus improving degree of utilization of the available training time. Relationships applied for the calculation came from Hungarian Standard MI [5]. 2. DESCRIPTION OF THE OPERATOR ENVIRONMENT Program komunikuje się z operatorem za pomocą ośmiu arkuszy EXCEL. Pierwszy z nich służy do wyświetlenia danych wejściowych (rys. 1). The program communicates with the operator with the use of eight EXCEL sheets. The first sheet is for displaying the input data (Fig. 1).

40 Nr 11(501) LISTOPAD Rys. 1. Wizualizacja danych wejściowych przenośnika [1] Fig. 1. Visualization of belt conveyor input data [1] Szkic objaśniający, usytuowany poniżej pól tekstowych, pomaga w zrozumieniu wymiarów geometrycznych przenośnika taśmowego. Pokazane jest to na rysunku 2., na którym widać, iż program jest w stanie obsługiwać trzy punkty załadunku Q1, Q2, Q3 materiału transportowanego. Jest to wystarczająca liczba dla większości systemów transportowych eksploatowanych w kopalniach. Pierwszy punkt załadunku sprzężony jest z przednią częścią pola przenośnikowego. Usytuowanie dwóch pozostałych punktów można ustalić według potrzeb użytkownika, z zachowaniem rozsądnych limitów odległości. Explanatory diagram, below the text fields, helps in unterstanding the geometrical dimensions of the belt conveyor track. This is shown in Figure 2, demonstrating that the program can handle three receiving points. This is sufficient for most transport systems operating in the mining practice. The first receiving point is coupled with the front part of the track. The positions of the other two loading points can be custom defined within reasonable distance limits. Rys. 2. Szkic objaśniający parametry przenośnika [1] Fig. 2. Belt conveyor parameters [1] W praktyce nie modeluje się danych wejściowych przenośnika poprzez ich bezpośrednie wprowadzenie do komórek arkusza. Służy do tego specjalny panel systemu Windows, wywoływany przez makro programu EXCEL [1]. Po uruchomieniu makra ukazuje się okno Basic data (Dane podstawowe), jak to pokazano na rysunku 3. Oprócz parametrów arkusza wejściowego okno zawiera też wyżej wspomniany wykres objaśniający oraz rysunek pokazujący rozmieszczenie It is not practical, however, to input data of the conveyor track to be under verification by directly entering cell data on the input sheet. A special Windows panel serves for this purpose, to be called by running an EXCEL macro [1]. After starting the macro, the Basic data window appears, as shown in Figure 3. In addition to the parameters of the input sheet, the window also contains the already mentioned explanation scheme and the drawing demon-

41 40 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA elementów napędu [2]. Wykres zawsze pokazuje obraz odnoszący się do aktualnie wybranego rozmieszczenia elementów napędu przenośnika taśmowego. Rozkład siły ciągu wzdłuż trasy jest zasadniczo (ale nie wyłącznie) wyznaczany przez rozmieszczenie elementów napędu przenośnika taśmowego. Miejsce i sposób podłączenia siły ciągu lub współczynnik rozmieszczenia miejsc (o ile jest ich więcej niż jedno) mają znaczny wpływ na takie parametry, jak maksymalna siła generowana na taśmie, średnia siła czy wymagana siła napięcia. Dodatkowo czynniki te wpływają na zdolność systemu do tolerancji zmian parametrów spowodowanych np. zmianami pogody. Dlatego właśnie program jest w stanie obsługiwać rozwiązania rozmieszczenia zastosowane w systemach przenośnikowych na końcu trasy przenośnika. Można wybrać następujące rozmieszczenia: 0, 1, 2 lub 3 elementy napędowe z przodu oraz 0 lub 1 element napędowy z tyłu. Program nie uwzględnia napędu pośredniego. Wprowadzone wielkości (Q1, Q2, Q3) muszą być podane w oknie Input basic data (Podstawowe dane wejściowe) jako wydajność przenośnika (ilość przesuwanej masy towaru). Wpisywane wydajności mogą mieć oczywiście wartość zerową, co odnosi się do stanu ruchu jałowego. Wszystkie materiały załadowane na taśmę przenośnika opuszczają ją przy końcowym bębnie. strating layout of the drive units [2]. The latter always shows the picture corresponding to the actual selected drive layout. Hauling force distribution along the track is essentially (but not exclusively) determined by the layout of the belt conveyor drive units. The position and method of hauling force input, or if there are more than one input positions their distribution ratio, etc., have significant effects on parameters, such as, including maximum force generated in the belt, average force, the required tensioning force. But it has effect also on the ability of the system to tolerate parameter changes influenced e.g. by the weather. This is why the program manages the drive arrangement solutions usually applied in belt conveyor systems driven at the track end. Selectable layouts: 0, 1, 2, 3 drive units in front and 0, 1 drive unit at the back. The program does not support the intermediate drive. Loaded quantities (Q1, Q2, Q3) have to be given in the Input basic data window as mass flows. Loaded mass flows can have, of course, also a zero value, which corresponds to the idle operating state. All the material loaded onto the conveyor leaves the belt at the discharge drum. Rys. 3. Wizualizacja okna Basic data [2] Fig. 3. Basic data window [2]

42 Nr 11(501) LISTOPAD Użytkownik może się swobodnie poruszać pomiędzy polami, do których wprowadzane są parametry np. pole danych do wprowadzania można wybrać za pomocą kursora. Przy wyjściu z pola może pojawić się komunikat o błędzie. Dzieje się tak dlatego, że program sprawdza, czy wartość wprowadzanych danych mieści się w zakresie akceptowalnym dla przenośnika taśmowego. Po wyjściu z pola, jeżeli użytkownik musi potwierdzić liczbę poza zakresem, zostanie o tym poinformowany przez wyskakujące okienko. Jednocześnie okienko podaje właściwy zakres liczbowy danego parametru. Weryfikacja ta stanowi główną funkcję wprowadzania danych poprzez okno Input basic data i zarazem największą tego rozwiązania zaletę, choć oczywiście wprowadzanie danych w sposób niewymagający potwierdzania byłoby dla użytkownika zdecydowanie mniej denerwujące. Zaznaczyć jednak trzeba w tym miejscu, że program nie weryfikuje zgodności wszystkich wprowadzanych parametrów, cedując to zadanie częściowo na użytkownika. Przykładowo szerokość taśmy do pewnego stopnia ogranicza masę zestawu krążników, jednak program nie weryfikuje zgodności tych dwóch parametrów. Z drugiej strony program obsługuje efekt dynamicznego zjawiska rozruchu występującego przy uruchamianiu taśmy i bierze pod uwagę nie tylko siły statyczne, lecz również wymagania mocy systemu rozruchu. W tym celu do okna Input basic data może zostać wprowadzona długość okresu uruchamiania jako zaakceptowany zakres w polu Acceleration time (Czas rozruchu): 20 sec < t acc < 1000 sec. Wprowadzając najwyższą wartość, która jest zarazem wartością domyślną, użytkownik może wybrać tryb stałej prędkości (constant-speed-run). Należy zauważyć, że program nie obsługuje zjawiska przebiegów przejściowych występującego wzdłuż przenośnika i spowodowanego zdolnością do magazynowania energii dzięki elastyczności taśmy i innym cechom systemu. Tak więc obliczone wartości siły i mocy są wartościami uzyskanymi po ustaniu przebiegów przejściowych, które pojawiają się podczas uruchamiania urządzenia. Potwierdzenie wprowadzonych danych następuje po naciśnięciu przycisku Apply (Zastosuj) w oknie Input basic data. Wtedy program dokonuje niezbędnych sprawdzeń krzyżowych należy się tu spodziewać okna z komunikatem ostrzegawczym a następnie wszystkie dane z okna przeniesione są do arkusza wejściowego pokazanego na rysunku 1. Jednakże okno Input basic data nie zamyka się. Można je opuścić poprzez kliknięcie na przycisk Close (Zamknij). Po dokonaniu niezbędnych sprawdzeń krzyżowych wszystkie dane okna przeniesione są do arkusza wejściowego i jednocześnie okno zostaje zamknięte. W tym momencie system rozpoczyna niezbędne obliczenia. The user can move freely amongst the fields for parameter entry, e.g. the data field to be actually entered can be selected with the cursor. Leaving a particular field one can obtain an error message. This is because the program checks, whether the value of the data to be entered is within the range acceptable for a belt conveyor. After leaving the field a pop-up window will notify in case the user is about to validate an out-of-the-range figure, at the same time giving the valid range of the particular parameter. Exactly this is the main function of data entry via the Input basic data window. If data entry takes place in a validated manner, we can avoid lots of annoyance. The program, however, does not verify compatibilities of all parameters to be entered. The user of the program must provide for this. For example, the width of the belt to some extent limits the mass of the roller set to be used with. But compatibility of the two data in this example is not validated by the program. On the other hand, it is able to handle dynamic effect of the acceleration phenomenon occurring at starting the belt and it considers not only the static forces but also the power requirement of the system acceleration. To do this, the time period of the starting process can be entered in the Input basic data window. Accepted range in the Acceleration time field: 20 sec < t acc < 1000 sec. By entering the highest value this is also the default value the user can select the constant-speed-run case. Note that the program does not manage the transient phenomena taking place along the track and originating from the energy storing capability due to the flexibility of the belt and other features of the system. Thus, calculated forces and powers are values produced after cease of transients that occur at starting. For the validation of already entered data, there is the Apply button in the Input basic data window. Clicking on it, the program performs some crosschecks of the entered parameters that is why the appearance of a warning window can also be expected then all data of the window are written to the input sheet shown in Figure 1, however, the Input basic data window is not left. Clicking on the Close button, one can leave this window, and after the necessary cross-checks all data of the window are rewritten to the input sheet and the window closes at the same time. After closing, our program system immediately performs the necessary calculations.

43 42 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 3. WYŚWIETLANIE WYNIKÓW 3. DISPLAYING THE RESULTS Pozostałe siedem arkuszy służy do wyświetlania uzyskanych wyników. Arkusze te pokazują tendencje w rozkładzie siły ciągu wzdłuż przenośnika. Każdy arkusz zawiera wykresy możliwego rozkładu siły ciągu w odniesieniu do możliwych rozmieszczeń napędu. Po kliknięciu na arkusz ukazuje się wykres, którego identyfikator oraz usytuowany poniżej schemat służą do identyfikacji odpowiedniego rozmieszczenia napędu. Dla ułatwienia odczytania arkusza siły powstające w charakterystycznych punktach przenośnika pokazane są na wykresie razem z ich wartościami. Pole w dolnym prawym rogu zawiera najważniejsze parametry przenośnika oraz wyniki obliczeń, tzn.: zapotrzebowanie napędu na energię z podziałem na elementy napędu, czynnik niezawodności napędu dla każdego elementu napędu, siłę ciągu, która ma być zastosowana w miejscu podłączenia napędu, wydajność przenośnika (ilość transportowanego towaru), długość przenośnika, średnią siłę obliczoną z sił działających wzdłuż pola przenośnikowego, nachylenie przenośnika. To samo pole zawiera również czas rozruchu podczas uruchomiania urządzenia. Dane te pokazują w przejrzysty sposób stan działania, do którego należy dany diagram. Rysunki 4., 5. i 6. pokazują trzy z siedmiu arkuszy wynikowych, będących podstawowymi danymi uzyskanymi na podstawie danych przedstawionych na rys. 3. Sposób rozmieszczenia napędów można odczytać z ww. rysunków. The remaining seven sheets of the workbook feature displaying the calculated results. These sheets show the trends of the hauling force distribution along the track. Each sheet contains diagrams of the possible hauling force distributions belonging to the possible drive layouts. By clicking on the sheet tab the diagram appears, the address of which and the scheme below it uniquely identify the respective drive layout. For easy reading, the forces arising in characteristic points of the track are also displayed with their value numbers on the diagram. The field in the bottom right corner contains the most important quantities of the track and results of the calculations. These are the following: power demand of the drive by drive units, drive reliability factor valid for each drive unit, tensioning force to be applied at the tension site, the transported mass flow, track length, average force calculated from the forces along the track, elevation of the track. The same field also contains the acceleration time applied at starting. These data clearly show the operating state that particular diagram belongs to, even at the later study of the diagram. Figures 4, 5 and 6 show three out of the seven result sheets belonging to the basic data obtained from Figure 3. The layout modes can be read from the Figures themselves. Rys. 4. Rozkład sił dla dwóch identycznych bębnów napędowych w miejscu wyładunku urobku [1] Fig. 4. Force distribution for two identical pulleys at discharge end [1]

44 Nr 11(501) LISTOPAD Rys. 5. Rozkład sił dla dwóch identycznych bębnów napędowych w miejscu wyładunku i załadunku urobku [1] Fig. 5. Force distribution for two identical pulleys at discharge and receiving end [1] Rys. 6. Rozkład sił dla jednego bębna napędowego w miejscu załadunku urobku [1] Fig. 6. Force distribution for one pulley at receiving end [1] Należy zwrócić uwagę, że znak minus przed wartością mocy oznacza, iż przenośnik nie powinien się poruszać, a wręcz że powinno się zastosować hamowanie, poprzez wartość mocy odpowiadającą konkretnemu rysunkowi. Hamowanie może być oczywiście przeprowadzone również przez silniki elektryczne. Dla parametru H1, który podaje nachylenie pola przenośnikowego, znak minus jest interpretowany w ten sam sposób. Oznacza to różnicę poziomów pomiędzy początkowym i końcowym punktem taśmy przenośnikowej w przypadku transportu w dół. W tym przypadku arkusz wejściowy, pokazany na rysunku 1., nie zostaje zablokowany dla użytkownika można go edytować. Zaletą takiego rozwiązania Please note that the negative sign before the power values indicates that the conveyor is not required to drive in the given condition but rather even braking has to be applied, by a power corresponding to the respective figure. The breaking, of course, can be performed by the electric motors too. The parameter H1 means the ascent of the track, the negative sign is interpreted similarly as before. This represents the level difference between the starting and ending points of the track in the case of a downward transport. The input sheet shown in Figure 1 is not locked from the user, it is editable. The advantage of this feature is that in case of changing only one input pa-

45 44 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA jest to, że w przypadku zmiany pojedynczego parametru wejściowego, np. czasu rozruchu, nie trzeba powtórnie wprowadzać danych do wszystkich pól okna Input basic data. Jednakże, po modyfikacji arkusza wejściowego, program nie weryfikuje zmian w danych. Dla potrzeb dokumentacji procesu można używać zintegrowanej funkcji drukowania arkusza EXCEL z wszystkimi jej opcjami. Dostępne są również pozostałe funkcje programu EXCEL, z wyjątkiem tych chronionych hasłem. Każdy etap obliczeń może być zapisany, a następnie powtórnie załadowany. rameter e.g. the acceleration time re-entering all data fields of the Input basic data window is not necessary. However, after any modification of the input sheet the program does not perform the verification on data. For documentation purposes the integrated print function of EXCEL can be used, with all options offered thereby. All other EXCEL functions are, of course, available for the user, except for those protected by a password. Thus, any stage of the computation can be saved and then reloaded. 4. PODSUMOWANIE 4. SUMMARY Oszczędność energii podczas pracy przenośnika taśmowego można uzyskać poprzez częściowe wyłączenie mocy napędu. Weryfikacja pracy przenośników taśmowych może być skutecznie wspomagana programem komputerowym, służącym do monitorowania i modelowania optymalnych rozwiązań. Wyniki modelowania i wyciągnięte wnioski nie wspomogą użytkownika w podejmowaniu właściwych decyzji, jeżeli wprowadzone dane będą niezgodne ze stanem rzeczywistym. Dlatego tak ważne jest, aby dane wprowadzane do pól arkusza odpowiadały warunkom do analizy. W innym przypadku otrzymane wnioski mogą spowodować reakcję nieadekwatną do sytuacji, dla której usprawiedliwieniem bynajmniej nie będzie działanie programu zgodnie ze starym (węgierskim) przysłowiem: Nie zwalaj winy na lustro za zniekształcone odbicie. Artykuł powstał jako część projektu TÁMOP B-10/2/KONV w ramach New Hungarian Development Plan. Realizacja projektu wspomagana jest przez Unię Europejską i współfinansowana przez Europejski Fundusz Socjalny. During the exploitation of a belt conveyor it is possible to save energy by partial switch-off of the drive units. The verification of belt conveyors operations can be efficiently supported by a computer program for monitoring and modelling optimal solutions. Finally, we would like to call the attention of every professional ever faced with some modeling. Please let us highlight again for obvious reasons. The results of a modeling process and the conclusions drawn do not support the user in making the right decision if the user enters invalid and unrealistic information. This is why it is so essential that the basic data entered through the input fields correspond to the condition to be examined. Otherwise, it is possible that conclusions drawn from the results steer the user away from the right decision, but generally not because of applying a modeling process. That is, to recall an old saying: Don t blame the mirror if the reflection is distorted. This work was carried out as part of the TÁMOP B-10/2/KONV project in the framework of the New Hungarian Development Plan. The performance of this project is supported by the European Union, co-financed by the European Social Fund. Literatura 1. Kovalcsik G.: Az EXCEL programozása, Computer Books, Kovácsné C. J., Ozsváth M.: Az EXCEL függvényei, Computer Books, Krizsák L.: Az EXCEL 7.0 programozása, Computer Books, Hargitai P., Kaszanyiczky L.: A VISUAL BASIC 4.0 programozási nyelv, LSI Oktatóközpont, Hungarian Standards MI References 1. Kovalcsik Géza, Az EXCEL programozása, ComputerBooks, Dr. Kovácsné Cohner Judit, Ozsváth Miklós, Az EXCEL függvényei, ComputerBooks, Krizsák László, Az EXCEL 7.0 programozása, Computer- Books, Hargitai Péter, Kaszanyiczky László, A VISUAL BASIC 4.0 programozási nyelv, LSI Oktatóközpont, Hungarian Standards MI Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów. The article was reviewed by two independent reviewers.

46 Nr 11(501) LISTOPAD КОМПЬЮТЕРИЗОВАННАЯ СИСТЕМА ПРОВЕРКИ РАБОТЫ ЛЕНТОЧНЫХ КОНВЕЙЕРОВ Конвейеры являются важными элементами систем транспортировки материалов во многих отраслях промышленности, особенно в добывающей промышленности. Электроэнергия, используемая для питания ленточных конвейеров в карьерах, является важным элементом затрат шахты. Поэтому любые сбережения, достигнутые в этой области, приводят к значительному и заметному сокращению постоянных затрат предприятия. Для экономии электроэнергии сначала следует проанализировать приводную систему, а затем определить пункты, в которых можно сэкономить энергию. В статье представлена модель компьютерной поддержки системы ленточных конвейеров. Модель работает с программой EXCEL. Результаты, полученные из анализа работы программы, могут использоваться для поддержки принятия решений пользователями ленточного конвейера. Модель также может использоваться в образовательных целях.

47 dr inż. MIROSŁAW PAWŁOT Katedra Urządzeń Elektrycznych i TWN Politechnika Lubelska Wpływ zastosowania zmodyfikowanej ochrony typu EPS-98 na stan nagrzania złącza stykowego szyn płaskich podczas przepływu prądów zakłóceniowych The effect of EPS-98 modified protection on the heating condition of flat bus bar joints under fault current conditions W artykule zostały przedstawione wyniki badań nagrzewania się połączenia stykowego szyn płaskich miedzianych podczas przepływu prądów zakłóceniowych. Badaniom zostały poddane styki bez ochrony oraz z ochroną typu EPS-98 przy różnych wartościach siły ich docisku. Wyniki badań dowodzą zasadności stosowania ww. ochrony. The article presents test results concerning the heating condition of flat copper bus bar joints during the flow of fault currents. Joints with and without EPS-98 protection have been tested at various values of contact force. The results justify the application of the above mentioned protection. 1. WPROWADZENIE 1. INTRODUCTION Wzrost wartości prądów i napięć znamionowych oraz prądów zwarciowych w układach zasilających i obwodach urządzeń elektrycznych, towarzyszący rozwojowi współczesnej elektroenergetyki, stawia torom prądowym i układom zestykowym coraz większe wymagania odnośnie do ich obciążalności ciągłej i zwarciowej. Każdy bowiem aparat elektryczny pracujący w systemie elektroenergetycznym wyposażony jest w tor prądowy oraz bardziej lub mniej rozbudowany układ zestykowy. The increase in the values of rated current and voltage as well as short-circuit current in power supply systems and circuits of electrical equipment accompanies the development of modern electrical power engineering. This situation results in more and more challenging requirements laid down for current circuits and joints systems as far as their continuous current-carrying capacity and shortcircuit current carrying capacity are concerned. This is due to the fact that each electrical device working in an electrical power system is equipped with a current circuit or a more or less developed system of joints.

48 Nr 11(501) LISTOPAD ZŁĄCZA STYKOWE POŁĄCZEŃ SZYNOWYCH 2. BUS BAR JOINTS Zasadniczym parametrem elektrycznym zestyku jest jego rezystancja przejścia. Jej wartość decyduje o stratach energii (obciążalności prądowej ciągłej i zwarciowej), a więc o nagrzewaniu zestyków. Dopuszczalne temperatury zestyku warunkują dopuszczalny prąd przepływający przez zestyk. Rezystancja przejścia wynika z trzech składników: rezystancji materiału połączonych styków, tworzących zestyk, rezystancji przewężenia przekroju dla przepływu prądu, związanej z mikrostrukturą powierzchni styczności, rezystancji warstw zewnętrznych (nalotowych) występujących na stykających się ze sobą powierzchniach styków, zwłaszcza przy mniejszej sile docisku styków. Powodem wzrostu wartości rezystancji jest głównie wpływ warstwy nalotowej, jaka pojawia się na powierzchni styku. Bez względu na dokładność obróbki stykających się elementów występuje przewężenie przekroju przepływu prądu. Jest ono spowodowane istnieniem mikrowgłębień i mikrowzniesień na powierzchni styczności, w wyniku czego rzeczywista powierzchnia styczności, będąca sumą powierzchni zestyków punktowych, jest mniejsza od pozornej powierzchni styczności [1]. W przypadku pracy zestyków w warunkach przepływu prądów zwarciowych występuje ich intensywne nagrzewanie się i szybciej, niż podczas przepływu prądów ciągłych, może wystąpić mięknienie, a następnie topnienie w obszarze ich styczności. Warunki pracy mają wpływać na pracę wszystkich rodzajów zestyków, a więc zarówno rozłącznych, jak i nierozłącznych. Odróżniamy przy tym normalne warunki pracy długotrwałe przewodzenie prądów obciążeniowych oraz krótkotrwałe przewodzenie prądów zwarciowych. W celu utrzymania temperatury zestyku na dostatecznie niskim poziomie konieczne jest zapewnienie: dostatecznie małej wartości rezystancji przejścia; można ją obniżać poprzez zwiększenie siły docisku, przyjęcie określonego kształtu zestyku oraz właściwą konserwację jego powierzchni, dostatecznie dużej przewodności cieplnej i elektrycznej materiału stykowego, dostatecznie dużego przekroju elementów stykowych, dostatecznej powierzchni chłodzenia [1]. The basic electrical parameter of a joint is its transition resistance. The value of this resistance decides about the loss of energy (continuous- and shortcircuit current-carrying capacity), i.e. about the joints heating. Acceptable temperatures of the joint determine the acceptable current flowing through the joint. Transition resistance is made up of three components: the resistance of the material of joint contacts which form the whole joint, the resistance of choke-point cross section for the current flow, related to the micro-structure of the contacting surface, the resistance of external layers on contacting surfaces of the joints, particularly when the contact force is smaller. The resistance value increases due to the external layer which emerges on the surface of the joint. Irrespective of the processing accuracy of contacting elements, there is a choke-point in the cross-section of the current flow. It is caused by micro-pits and micro-elevations on the contacting surface, as a result of which the real contacting surface, being the sum of contact points surfaces, is smaller than the apparent contacting surface [1]. When the joints work under short-circuit current conditions, they get heated intensively, can soften faster than under continuous current conditions, and then their contacting surfaces can melt. The working conditions can impact the operations of all kinds of joints, both switching contacts and fixed contacts. Here it is possible to distinguish normal working conditions long-term conduction of load currents and short-term conduction of shortcircuit currents. In order to keep the temperature of the joint on a sufficiently low level it is necessary to ensure the following: sufficiently low value of transition resistance; it can be lowered by the increase of the contact force, application of a certain shape of the joint, and proper maintenance of its surface, sufficiently high thermal and electrical conductivity of the contact material, sufficiently large cross-section of contacting elements, sufficient cooling surface [1].

49 48 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA W układach stykowych o znacznych wartościach przepływającego prądu pożądanym jest stosowanie pokryć zabezpieczających o dobrej przewodności elektrycznej. Jedną z takich powłok ochronnych jest elektroprzewodząca ochrona złączy EPS-98. Dla silnoprądowych złączy stałych jej skład chemiczny ustalono doświadczalnie. Optymalny procentowy skład masowy elektroprzewodzącego pokrycia ochronnego z zastosowanym proszkiem miedzi powinien być następujący: proszek Cu ~ 40-60%, dodatek tiksotropowy ~ 5-7%, dodatki stabilizujące ~ 2%, reszta olej [2]. Elektroprzewodząca ochrona złączy stykowych EPS-98 zapewnia skuteczne obniżenie wartości rezystancji zestyku (od dwu- do dziesięciokrotnego) i jej stabilność w czasie eksploatacji na niskim poziomie przy temperaturach do 150 C (krótkotrwale do 250 C), bez konieczności stosowania innych kosztownych środków stabilizacji rezystancji zestyku, takich jak np. przekładki Cu-Al, płaskie sprężyny dociskowe, pokrycia powierzchni stykowych innymi metalami itp. Jest przeznaczona głównie do zabezpieczania złączy silnoprądowych wykonanych z takich materiałów, jak aluminium, miedź, stal i ich kombinacje również przed skutkami wielokrotnych i długotrwających przeciążeń prądowych [2]. Joints systems with significantly high values of the flowing current demand to use protective shields with good electrical conductivity. The electrically conductive EPS-98 protection of joints is one of such shields. Its chemical composition for power joints has been determined by means of experiments. The optimal composition of an electrically conductive protection shield, with the use of copper dust, should be the following: Cu dust ~ 40-60%, thixotrophic fluid ~ 5-7%, stabilizing agents ~ 2%, the rest oil [2]. The EPS-98 electrically conductive protection of joints ensures efficient decrease of the contact resistance value (from two to ten times) and its stability during low-level exploitation at temperatures up to 150 C (short periods up to 250 C), with no necessity to use other costly methods for stabilizing the contact resistance, such as, for example, Cu-Al distance pieces, flat compression springs, metal coatings of contact surfaces, etc. EPS-98 has been designed to protect power joints made of such materials as aluminium, copper, steel and their combinations also against the results of multiple and long lasting current overloads [2]. 3. BADANIA LABORATORYJNE 3. LABORATORY TESTS Badaniom poddane zostało połączenie na zakładkę dwóch szyn miedzianych o wymiarach 20 3 mm za pomocą połączenia śrubowego pojedynczego M8 w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 1. O jakości połączenia decyduje wartość siły docisku stykających się powierzchni. Moment siły docisku był regulowany w zakresie 6-25 Nm (zalecenia producentów urządzeń elektroenergetycznych dotyczące momentów siły dokręcenia śrub M8 mieszczą się w badanym zakresie [4, 5]). The tests were conducted on two 20 3 mm copper bus bars overlapped by means of a single M8 screw in the measuring system presented in Fig. 1. The quality of the joint depends on the value of the contact force of contacting surfaces. The moment of contact force was regulated in the range 6-25 Nm (recommendations of the manufacturers of electrical power equipment related to the moments of force of M8 screws tightening are within the tested range [4, 5]). a) b) Rys. 1. Łączenie szyn [3]: a) na zakładkę, b) z nakładką Fig. 1. Bus bars connections [3]: a) overlapped, b) with an overlay

50 Nr 11(501) LISTOPAD Badania wykonano dla dwóch rodzajów połączenia: z zastosowaniem ochrony stykowej typu EPS-98, bez stosowania środków ochronnych. The tests were conducted for two types of joints: with the use of the EPS-98 protection, without any protection. computer PC wymuszalnik prądowy current source Wpu APPA 207 Rys. 2. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego (opracowanie własne) Fig. 2. Diagram of a measurement stand (author s own) W pierwszej próbie nagrzano obydwa połączenia stykowe z pojedynczą śrubą M8 (z ochroną EPS-98 i bez ochrony) skręcone z momentem siły 6 Nm. Jak widać z zależności pokazanych na rysunku 3., różnice pomiędzy krzywymi nagrzewania obydwu styków są w zasadzie niezauważalne. Sytuacja ulega diametralnej zmianie w momencie, kiedy poprzez styki przepływa prąd zakłóceniowy. In the first test both bus bar joints with a single M8 screw (with EPS-98 and without any protection), tightened with the moment of force 6 Nm, were heated. As it can be seen from the dependencies in Fig. 3, the differences between heating curves of both joints are practically invisible. The situation changes dramatically when fault current flows through the joints. styk bez ochrony joint with no protection styk z ochroną typu EPS 98 joint with EPS 98 protection Temperat ura zestyku T [ C] Joint temperature T [ C] Te m per atura zestyku T [ C] Joint temperature T [ C] Czas nagrzewania t [min] Heating time t [min] Czas nagrzewania t [min] Heating time t [min] Rys. 3. Krzywe nagrzewania styku z ochroną EPS-98 i bez ochrony prądem znamionowym I n = 273 A przy skręceniu szyn momentem M = 6 Nm (opracowanie własne) Fig. 3. Rated current heating curves of the joint with EPS-98 and without protection I n = 273 A at the bus bars tightening with the moment M = 6 Nm (author s own) Na rysunku 4. przedstawiono różnice, jakie wystąpiły przy zastosowaniu zmodyfikowanej ochrony stykowej typu EPS-98 w stosunku do połączenia stykowego bez ochrony elektroprzewodzącej. Powierzchnie stykowe w obydwu przypadkach zostały uprzednio odtłuszczone i pozbawione jakichkolwiek mechanicznych uszkodzeń. Porównując wyniki pomiarów przyrostów temperatur dla obydwu styków, Fig. 4 presents the differences that occurred with the use of the EPS-98 modified protection in relation to the joint without any protection. The contacting surfaces in both cases were first degreased and mechanical damages were removed. When comparing the measurement results of temperature increase for both joints, one can see the impact of the EPS-98 protection on the decrease of the joint temperature.

51 50 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA widać wpływ ochrony EPS-98 na obniżenie temperatury zestyku. W zasadzie przy wartości siły docisku styku odpowiadającej dokręceniu śruby M8 momentem rzędu Nm dla styków bez zastosowania pasty elektroprzewodzącej różnice w przyrostach temperatur zanikają. Przy zastosowaniu ochrony zmodyfikowanej wyrównanie wartości przyrostów jest osiągane zdecydowanie wcześniej, a mianowicie przy momentach już niekiedy 10 Nm. In principle, at the value of the contact force corresponding to the M8 screw tightening with the moment of Nm, for the joints without an electrically conductive paste, the differences in the values of temperature increase disappear. With the use of the modified protection, the values of temperature increase get equal much earlier, i.e. sometimes already at the moments of 10 Nm. 16 Prąd I=4I n czas trwania zakłócenia 15 s Current I=4I n fault time 15 s 25 Prąd I=6I n czas trwania zakłócenia 10 s Current I=6I n fault time 10 s Przyrost te mp. zestyku Δ T [K] Joint te mperat ure increase Δ T [K] bez ochrony no protection z ochroną EPS protection 98 Przyrost te mp. zestyku Δ T [K] Joint te mperat ure increase Δ T [K] bez ochrony no protection z ochroną EPS protection Moment siły M [Nm] Moment of force M [Nm] Moment siły M [Nm] Moment of force M [Nm] Przyrost te mp. zestyku Δ T [K] Joint te mperat ure increase Δ T [K] Prąd I=8I n czas trwania zakłócenia 10 s Current I=8I n fault time 10 s bez ochrony no protection z ochroną EPS protection 98 Przyrost te mp. zestyku Δ T [K] Joint te mperat ure increase Δ T [K] Prąd I=10I n czas trwania zakłócenia 7 s Current I=10I n fault time 7 s bez ochrony no protection z ochroną EPS protection Moment siły M [Nm] Moment of force M [Nm] Moment siły M [Nm] Moment of force M [Nm] Rys. 4. Wartości przyrostów temperatur złącza stykowego dla różnych warunków zakłócenia (opracowanie własne) Fig. 4. Temperature increase values of a bus bar joint for different fault conditions (author s own) Przy prawidłowym wykonaniu połączenia stykowego szyn płaskich miedzianych (powierzchnia stykowa gładka, odtłuszczona) pokrycie pastą elektroprzewodzącą w zakresie przyrostów temperatur ustalonych, wynikających z przepływu prądu znamionowego, nie przynosi wyraźnych korzyści w związku z jej zastosowaniem. W momencie jednak, kiedy wchodzi się w zakres prądów zakłóceniowych (prądy przeciążeniowe), stosowanie ochrony zmodyfikowanej typu EPS-98 staje się uzasadnione. Powoduje to przede wszystkim obniżenie wartości przyrostu temperatury zestyku nawet o 20%. W wyniku stosowania w badanym zestyku pasty elektroprzewodzącej When the joint of flat copper bus bars is made properly (smooth and degreased contacting surface), the use of an electrically conductive paste, in the range of the set temperature increase resulting from the rated current flow, does not bring any significant profits. However, in the range of fault currents (overload currents), the use of the EPS-98 modified protection becomes justified, as it lowers the value of the joint temperature by as much as 20%. Due to the application of the electrically conductive paste on the tested joint, the impact of the contact force of contacting surfaces on the temperature increase during the fault current flow lowers. This significantly deter-

52 Nr 11(501) LISTOPAD zmniejsza się wpływ wartości siły docisku powierzchni stykowych na przyrost temperatury podczas zakłócenia. W zasadniczy sposób warunkuje to jakość połączenia i ewentualne ograniczenie termicznych skutków przepływu prądu przeciążeniowego przez zestyk. mines the quality of the joint and possible thermal limitation of the results of the overload current flow through the joint. 4. PODSUMOWANIE 4. SUMMARY Stosowanie powłok elektroprzewodzących w zestykach silnoprądowych powoduje obniżenie temperatury zestyku nawet do 20%. Ochrona ta o odpowiednim składzie chemicznym i masowym powoduje wypełnienie mikroszczelin w powierzchni stykowej, co prowadzi do zwiększenia powierzchni przewodzenia dla prądu i w efekcie zmniejszenia rezystancji przejścia. Wpływ zastosowania zmodyfikowanej ochrony typu EPS-98 na powierzchni zestyku miedzianego szyny sztywnej jest najbardziej zauważalny podczas przepływu prądów zakłóceniowych. Zastosowanie ochrony powoduje zmniejszenie wpływu docisku powierzchni stykowych zestyku na wartość przyrostu temperatury podczas zakłóceń. Prowadzi to do ograniczenia skutków nieprawidłowego połączenia szyn (np. przy docisku z momentem poniżej 10 Nm dla połączenia śrubowego pojedynczego M8). The use of electrically conductive shields in power joints lowers the temperature of jpints by 20%. This protection, with proper chemical and mass composition, fills the micro-gaps on the contacting surface which makes the currentconductive surface bigger and, as a result of that, lowers the transition resistance. The impact of the EPS-98 modified protection on the copper bus bar joint is most visible during the flow of fault currents. The use of the protection lowers the impact of the contacting surfaces contact force on the value of temperature increase during the fault currents flow. This limits the impact of inadequate connection of bus bars (e.g. at the contact force with the moment below 10 Nm for a single M8 screw joint). Literatura 1. Au A.: Budowa niskonapięciowych łączników elektrycznych, WPW, Warszawa Dzekser N., Nikolajew A., Miedziński B.: Elektroprzewodząca ochrona złączy stykowych, Przegląd Elektrotechniczny, R. 80(2004), nr 12, s Seidel S.: Rozdzielnice i stacje transformatorowe, WUP, Poznań Zasady prawidłowego wykonywania rozdzielnic elektrycznych nn, Haber Energia Hulanicki Bednarek Sp. z o.o., Chełm Katalog Rittal RiLine Sp. z o.o. Grodzisk Mazowiecki, References 1. Au A.: Budowa niskonapięciowych łączników elektrycznych, WPW, Warszawa Dzekser N., Nikolajew A., Miedziński B.: Elektroprzewodząca ochrona złączy stykowych. Przegląd Elektrotechniczny, R. 80, No 12/2004, pp Seidel S.: Rozdzielnice i stacje transformatorowe, WUP, Poznań Zasady prawidłowego wykonywania rozdzielnic elektrycznych nn, Haber Energia Hulanicki Bednarek Sp. z o.o., Chełm Katalog Rittal RiLine Sp. z o.o. Grodzisk Mazowiecki, Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów. The article was reviewed by two independent reviewers. ВЛИЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ЗАЩИТЫ ТИПА EPS-98 НА СОСТОЯНИЕ НАГРЕВА КОНТАКТНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПЛОСКИХ ШИН ВО ВРЕМЯ ПРОТЕКАНИЯ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В статье представлены результаты испытаний на нагрев контактного соединения плоских медных шин при протекании токов короткого замыкания. Контакты были протестированы без защиты и с защитой типа EPS-98 при разных значениях сила их зажима. Результаты испытаний доказывают обоснованность использования вышеуказанной защиты.

53