Двухканальная система управления приводов экскаваторов, эксплуатирующихся при низких температурах

ная добыча угля может достигнуть к 2020 г. производственной мощности предприятия. На шахте Нагорная добыча угля может возрасти до 2 млн. т, а при ориентации только на внутреннее потребление - до 300 млн . т.

Под прочими предприятиями подразумевается новый разрез на месторождении Долгожданное. Уголь, добываемый на разрезе, будет потребляться в ближайших населенных пунктах, и объемы добычи зависят от прогнозируемой потребности в этом районе.

Библиографический список

Выводы. Таким образом, выполненный анализ существующего состояния и перспектив развития угледобычи в Чукотском показал:

производственные мощности действующих шахт используются не полностью и существуют резервы для развития угледобычи;

Чукотский АО обладает ресурсами качественного угля, достаточными для удовлетворения собственной потребности в угле, поставок в соседние регионы и на экспорт.

1. Государственный баланс запасов полезных ископаемых Российской Федерации (на 1 января 2006 года). Выпуск 91. Уголь. Том VIII / Дальневосточный федеральный округ. М.: Федеральное агентство по недропользованию, 2006. 320 с.

2. Угольная база России. Т. V. Кн. 2. Угольные бассейны и месторождения Дальнего Востока России (Республика Саха, Северо-Восток, о. Сахалин, п-ов Камчатка). М.: ЗАО «Гео-информмарк», 1999. 638 с.

3. Угольная промышленность Российской Федерации. М.: Росинформуголь, 2001-2006. Т.1.

4. МИНТОП: журн. /ЦДУТЭК. 2009. №2. Прил.: Угольная промышленность. 24 с.

5. Стратегия развития электроэнергетики Чукотского автономного округа на перспективу до 2020 г. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2008. 132 с.

6. http://www.chukotka.org/ru/ic_coal

УДК 62-83: 621.879

ДВУХКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОВ ЭКСКАВАТОРОВ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

А.В.Сорокин1

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрен способ снижения динамических нагрузок в базовых узлах экскаваторов, эксплуатирующихся при низких температурах. Ил. 6. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: оптимизация динамических процессов в горных машинах; эксплуатация экскаваторов при низких температурах; разработка месторождений твердых полезных ископаемых.

TWO-CHANNEL SYSTEM TO CONTROL EXCAVATOR DRIVES OPERATING AT LOW TEMPERATURES A.V. Sorokin

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The author deals with the method to reduce dynamic loads in the basic units of excavators, operating at low temperatures.

6 figures. 4 sources.

Key words: optimization of dynamic processes in the mining machinery; operation of excavators at low temperatures; mining of solid mineral deposits.

В зимнее время года резко возрастает аварийность экскаваторов главным образом за счет хрупких разрушений базовых узлов металлоконструкций машин. Простои экскаваторов в ремонтах достигают 25 -30% общего времени работы оборудования. Это влечет за собой снижение производительности машин, повышение трудоемкости работ по техническому обслуживанию и ремонту экскаваторов.

Известно, что в зависимости от температуры окружающей среды и характера приложения нагрузок происходит резкое изменение физико-механических свойств стали, переход материала от вязкого к хрупкому разрушению, происходящему мгновенно при сравнительно невысоких уровнях внешней нагрузки.

Климатические факторы проявляют себя в снижении вязкостных свойств металла под воздействием отрицательных температур. Этому же способствуют дополнительные неблагоприятные воздействия среды, связанные с ростом скорости ветра, относительной влажности воздуха, резких амплитуд колебаний температур. В зависимости от среднего значения критического уровня отрицательных температур для базовых узлов металлоконструкций конкретной горной машины назначают допустимый уровень эксплуатации оборудования по температурному критерию. Так, для экскаваторов ЭКГ - 10, ЭКГ -15 критической является температура -450 С, при температурах ниже этого уровня работа машин должна быть прекращена.

1Сорокин Александр Васильевич, кандидат технических наук, доцент, тел.: 89027619817, e-mail: sorokin@isea.ru Sorokin Alexander Vasilievich, Candidate of technical sciences, associate professor, tel.: 89027619817, e-mail: sorokin@isea.ru

В работе [1] систематизированы данные более 600 хрупких разрушений металлоконструкций основных типов карьерных экскаваторов за 12-летний период наблюдений за работой машин, распределенные по интервалам температур. Анализ показал, что наибольшая часть хрупких разрушений конструкций отмечается в интервалах отрицательных температур -20... -450 С, т.е. ниже их критического уровня, установленного для данного типа машин. Актировать простои машин во всех потенциально опасных интервалах отрицательных температур не представляется возможным, поэтому необходимо изыскивать более эффективные и оправданные организационно - технические мероприятия, направленные на повышение надежности экскаваторов, работающих в условиях холодного климата.

Наиболее активным фактором, определяющим процесс хладноломкости конструкций, является уровень нагрузок. Нагрузки формируют напряжения в локальных объемах конструкций, которые и являются основной причиной возникновения и развития хрупких трещин. Уровень нагрузок зависит от состояния подготовки забоя и квалификации машиниста экскаватора. Регулированием нагрузок в зависимости от степени опасности воздействия внешней среды можно снизить вероятность хрупких разрушений конструкций.

Особо опасны динамические нагрузки. Повышение скорости деформации вызывает переход от разрушения срезом к хрупкому разрушению отрывом. Видимо, увеличение скорости уменьшает время протекания физико-химического процесса деформации твердого тела, что и следует рассматривать как одну из причин снижения механических свойств металла. Поэтому основным мероприятием защиты экскаваторов от хрупких разрушений должно быть регулирование нагрузки главных приводов, ответственных за уровень формируемых нагрузок в базовых узлах машин.

Известны несколько способов [2], реализованные в устройстве управления электроприводом одноковшового экскаватора, в котором, при низких отрицательных температурах, в зависимости от температуры окружающего воздуха снижаются динамические нагрузки при пуске и реверсировании. Они имеют существенные недостатки и не нашли широкого применения на производстве.

Предлагаемый способ управления электроприводом постоянного тока экскаватора [3] основан на изменении задания скорости в соответствии с технологией экскавации с одновременным изменением тока возбуждения двигателя в функции комплексного параметра, учитывающего уровень отрицательной температуры металла машины и ветровой нагрузки. Он позволяет также регулировать запас кинетической энергии и снижать динамические нагрузки, повышая тем самым надежность работы экскаваторов.

Регулирование момента отсечки изменением тока возбуждения двигателя одновременно с изменением задания скорости двигателя позволяет формировать предельные механические характеристики двигателя гиперболического типа и обеспечивать работу двигателя на малых скоростях с моментами, достаточными

для эффективного наполнения ковша. При работе на основной механической характеристике и нагрузках, превышающих номинальные, привод работает на скоростях ниже номинальной, что в случае стопорения приводит к меньшим динамическим нагрузкам, так как запас кинетической энергии оказывается при этом значительно ниже.

Работа устройства поясняется функциональной схемой, помещенной на рис.1, и механическими характеристиками, помещенными на рис. 2. Устройство включает в себя: командоаппарат (К); регулятор ЭДС (Рэ) со звеном ограничения (ЗО); регулятор тока (Рт); тиристорные преобразователи (ТП1) и (ТП2); приводной двигатель (М); формирователь комплексного сигнала (Фкс); задатчик максимального тока возбуждения (Зв); регулятор тока возбуждения (Рв); задатчик ослабления тока возбуждения (Зов).

Электропривод может быть построен как замкнутая двухканальная система управления с подчиненным регулированием параметров тока якоря, напряжения или ЭДС двигателя.

Устройство работает следующим образом. В период сезонной наладки задатчик ослабления тока возбуждения настраивается таким образом, чтобы формировались механические характеристики, представленные на рис. 2. Токовая «отсечка» на всех характеристиках при этом остается неизменной. Задат-чиком максимального тока возбуждения устанавливается заданный (номинальный) ток возбуждения двигателя. При работе на малых скоростях пусковой момент двигателя максимально возможный, что дает возможность обеспечить хорошее заполнение ковша. По мере увеличения скорости поле двигателя ослабляется и соответственно уменьшается момент, достигая (0,85 -1,1)Мном на основной характеристике. Поэтому пуск двигателя осуществляется с меньшими ускорениями. При работе на основной характеристике с ослабленным полем скорость двигателя оказывается ниже номинальной.

Рис. 1. Схема двухканального управления электроприводом экскаватора

Поэтому стопорение начинается при пониженных нагрузках и скоростях, что и определяет меньший запас кинетической энергии и, следовательно, снижает динамическую нагрузку. Если температура металлоконструкции ниже -20°С, то на выходе формирователя комплексного сигнала, учитывающего уровень отрицательной температуры металла машины и ветровую нагрузку, появляется пропорциональный сигнал, который уменьшает задание на регуляторе ЭДС,

дополнительно понижая скорость двигателя (рис. 2) (пунктирные характеристики), что еще более снижает динамические нагрузки при стопорении.

1,00

0,75

0,50

0,25

0,10

0,5 1,0 1,5 Мп4 2,0

Рис. 2. Механические характеристики привода с системой двухканального управления

Работа привода подъема экскаватора при копании осуществляется следующим образом. Машинист экскаватора, устанавливая командоаппарат в нужное положение, задает требуемую скорость движения привода. В варианте быстрого перемещения рукоятки командоаппарата в крайнее положение будет сформировано задание скорости для работы на основной механической характеристике. При этом напряжение задания ослабления тока возбуждения двигателя будет максимальное, а момент стопорения (пусковой

момент) М* на этой характеристике будет минимальным (рис. 2). Если нагрузка на валу двигателя окажется больше пускового момента М*, то движения не будет и машинисту придется задать меньшую скорость, при которой пусковой момент будет больше момента нагрузки. Начнется заполнение ковша. Следовательно, наиболее рациональным управлением будет управление с плавным переходом от меньшей скорости на большую, что и будет вынужден делать машинист. Разгон будет происходить с минимальными ускорениями и, следовательно, минимальными динамическими нагрузками. Тем самым снижается вероятность хрупких разрушений металлоконструкций в условиях низких отрицательных температур. При положительной температуре окружающего воздуха ослабление поля двигателей не происходит. Главные электроприводы при этом обеспечивают максимальное ускорение и усилие, рассчитанное по механической прочности узлов металлоконструкции и перегрузочной способности двигателей.

Целью данной работы явилось имитационное моделирование разработанной двухканальной системы управления главных приводов экскаваторов, предназначенной для ограничения нагрузок в условиях критических температур.

Для проверки предложенной организации системы двухканального управления проведено моделирование главных приводов экскаватора ЭКГ - 15, реализованных по структуре Г-Д с ТВ.

Главные механизмы экскаваторов имеют ряд известных особенностей, затрудняющих их математическое моделирование. Как известно, на работу главных механизмов экскаватора оказывает влияние ряд случайных факторов, учет которых возможен только путем вероятностных оценок. Эти факторы условно можно разделить на четыре группы, а именно: недетерминированность физико-механических свойств извлекаемой породы, недетерминированность условий разработки, недетерминированность механической части механизмов, например, из-за неравномерности износа отдельных деталей и узлов подвижных частей и недетерминированность действий машиниста, то есть так называемый человеческий фактор. Поэтому общая модель экскаватора как единой электромеханической системы может быть построена только с некоторой степенью приближения к реальному объекту, определяемой совокупностью принятых допущений. В зависимости от цели моделирования в соответствующую часть модели могут вноситься необходимые уточнения, делающие общие результаты моделирования достоверными. При этом общая структура модели не претерпевает кардинальных изменений. Целью данного моделирования механической части экскаватора является определение динамических нагрузок в металлоконструкциях рабочего оборудования экскаватора. Кинематическая схема механической части экскаватора является взаимосвязанной многомассовой системой, но, рассматривая работу отдельных приводов и приняв некоторые допущения, мы упрощаем многомассовые системы, представляя их двухмассовыми. Известно, что подобное упрощение расчетной кинематической схемы экскаватора не должно существенно повлиять на точность расчетов [4], тем более что предлагаемая система управления еще более снизит динамические нагрузки в механических узлах.

Исследуемая система имеет несколько существенных нелинейностей:

- нелинейность, связанная с изменением параметров механической части экскаватора;

- нелинейность, связанная с изменением поля двигателя постоянного тока, которая к тому же зависит от скорости привода;

- нелинейность, связанная с формированием «экскаваторной характеристики»;

- нелинейность, связанная с формирователем комплексного сигнала, учитывающим уровень отрицательной температуры металла машины и ветровой нагрузки, который меняет параметры регулятора ЭДС.

Анализ системы, описывающей привод, решенной относительно первых производных, велся численным решением нелинейных дифференциальных уравнений с помощью метода Рунге-Кутта четвертого порядка с постоянным шагом интегрирования. Выбор шага интегрирования явился нетривиальной задачей и основывался на рекомендациях Воронова А.А. для исследования динамики сложных взаимосвязанных систем управления.

В результате исследований определена область устойчивой работы приводов при изменении параметров механической части и различном ослаблении поля двигателей.

На рис. 3 и 4 представлены переходные процессы при пуске привода подъема с нагрузкой Мсопр = 0,75Мном на номинальную скорость. щ* и щ -

относительные скорости первой и второй массы. Кривая 1 - традиционная система без ослабления поля; 2 - предлагаемая система с ослаблением поля при изменении скорости и влиянии формирователя комплексного сигнала.

Рис. 3. Скорость первой массы в режиме разгона

Как видно из рисунков, пуск системы с ослаблением поля имеет апериодический характер с большей постоянной времени, чем у традиционной системы. Не выявляются колебания, вызванные ступенчатым ослаблением поля двигателя при разгоне. Колебания на графиках скорости отражают обмен энергией между первой и второй массой в упругой системе. Скорость, достигнутая при одинаковом задании командоаппара-та в системе с ослаблением поля (кривые 2), меньше, что обеспечивается работой системы управления в соответствии с требованиями к ограничению нагрузок при низких температурах.

На рис. 5 представлены кривые переходных процессов упругих моментов (динамических усилий) в

приводе подъема экскаватора ЭКГ - 15 при пуске:

*

Му - упругий момент (относительные единицы) в

механической части привода при двухмассовом представлении. Кривая 1 - привод с традиционной системой управления; 2 - с предлагаемой системой управления. Видно, что в приводе с предлагаемой системой управления динамические нагрузки меньше на 30%.

Рис. 5. Упругий момент в режиме разгона

На рис. 6 представлены кривые переходных процессов упругих моментов в приводе подъема в режиме нагрузки сМсопр = 2,5Мном . Кривая 1 - упругий момент в приводе с традиционной системой управления; 2 - упругий момент в приводе подъема с предлагаемой системой управления. Видно, что в приводе с предлагаемой системой управления пиковые динамические нагрузки также меньше на 30%. Дальнейшие колебания, вызванные действием токовой отсечки, в предлагаемой системе управления более предпочтительны, так как демпфирование электромагнитной системы оказалось более эффективным.

Рис. 6. Упругий момент в режиме нагрузки с

Как показали результаты моделирования, динамический момент в приводе с ослабленным полем имеет меньшие пиковые броски и более затянутый характер, то есть динамические напряжения в механической конструкции, приводящие к разрушениям, уменьшаются. При дальнейшем ослаблении поля двигателя эта тенденция развивается. Кроме того, стопо-рение начинается при меньших усилиях резания и меньших скоростях, что и определяет снижение динамических нагрузок.

Управление режимом загрузки приводов экскаваторов в зависимости от опасности воздействия факторов внешней среды позволит сглаживать опасный уровень динамических нагрузок и за счет этого снизить вероятность разрушения базовых узлов и агрегатов машин, улучшить условия наполнения ковша. Уменьшение мощности двигателей в зимний период за счет уменьшения магнитного потока увеличивает

длительность рабочего цикла и, следовательно, уменьшает техническую производительность, но в целом следует полагать, что годовая производительность останется без изменения за счёт повышения надёжности и сокращения времени простоев, вызванных проведением внеплановых ремонтных работ. Это является существенным резервом повышения эффективности использования экскаваторов, а также снижения трудоемкости технического обслуживания и ремонта машин. Последний фактор имеет особое значение для карьеров Севера с дефицитом рабочей силы и повышенными требованиями к уровню надежности основного карьерного оборудования.

Предлагаемая двухканальная система управления главными приводами постоянного тока экскаваторов является простой как с точки зрения модернизации существующих систем, так и наладки и эксплуатации.

1. Техническое обслуживание и ремонт экскаваторов на карьерах Севера. Организация и механизация / Д.Е.Махно [и др.]. Иркутск: Изд-во Ирк. гос. ун-та, 1993. 20о с.

2. Сорокин А.В. Способ двухканального управления главными электроприводами экскаваторов, эксплуатирующихся в условиях низких температур: Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. С. 127-131.

Библиографический список

3. Пат. 2255184 Россия, МКИ Е 02 Р9/20, Н 02 Р 5/00. Способ управления электроприводом постоянного тока одноковшового экскаватора и устройство для его осуществления / С.С.Леоненко, А.В.Сорокин, Д.Е.Махно, А.С.Леоненко, М.В.Павлов [и др.]. (Россия). №2004114678/03; Заяв. 13.05.2004; Опубл. 27.06.2005, Бюл. №18.

4. Волков Д.П., Каминская Д.А. Динамика электромеханических систем экскаваторов. М.: Машиностроение, 1971. 384 с.

622:274

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕСТНОЙ МИНЕРАЛЬНОЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БАЗЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕВЗРЫВЧАТЫХ РАЗРУШАЮЩИХ СРЕДСТВ

Ю.Б.Хорохонов1, А.Г.Чесноков2, В.А.Креждешова3

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Способ разупрочнения горных массивов невзрывчатыми разрушающими средствами, изготовленными на местной минерально-сырьевой и энергетической базе, является перспективным, но должен удовлетворять требованиям по минеральному составу сырья, режиму обжига промпродукта и условиям применения. Ил. 1. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: известняк; невзрывчатое разрушающее средство; высокотемпературный обжиг; гидратация; температура окружающей среды; водосодержание смеси; шпур.

USE OF LOCAL MINERAL AND POWER BASE TO PRODUCE NON-EXPLOSIVE DESTRUCTIVE AGENTS Yu.B. Horohonov, A.G. Chesnokov, V.A. Krezhdeshova

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The method of softening mountain ranges by non-explosive destructive agents produced on the local raw materials and

1Хорохонов Юрий Борисович, кандидат технических наук, профессор кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел.: (3952)405216.

Horohonov Yuriy Borisovich, Candidate of technical sciences, professor of the chair of Exploitation of Natural Resources Deposits, tel.: (3952) 405216.

Чесноков Алексей Григорьевич, программист МРЦПК, тел.: (3952)405216.

Chesnokov Alexey Grigorievich, programmer of Interregional Center of Qualification Enhancement, tel.: (3952) 405216.

3Креждешова Виктория Александровна, специалист по учебной работе кафедры разработки месторождений полезных ископаемых, тел.: (3952)405216.

Krezhdeshova Viktoria Alexandrovna, specialist on educational wok at the chair of Exploitation of Natural Resources Deposits, tel.: (3952) 405216.