УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОТКРЫВАНИЯ ДНИЩА КОВША ЭКСКАВАТОРА
ELECTRIC DRIVE DEVICE FOR OPENING BOTTOM OF EXCAVATOR BUCKET

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования на карьерных экскаваторах с целью повышения энергетической эффективности работы электрооборудования открывания днища ковша экскаватора.
Известны устройства электроприводов открывания днища ковша экскаватора, содержащие источник питания, электродвигатель, вал которого соединен с барабаном и намотанным на нем тросом, соединенным через рычажный механизм с засовом днища ковша, кнопку управления открыванием днища ковша, подключенную к регулятору тока электродвигателя, подключенного к управляющему входу регулируемого тиристорного выпрямителя, включенного между источником питания и электродвигателем, при этом электродвигатель выполнен в виде машины постоянного тока (Патент РФ №2701674, МПК E02F 9/20; E02F 3/43; E02F 3/46, 2019; Патент РФ №2012741, МПК E02F 9/020, 1994; Малафеев С.И., Мамай B.C. Электропривод открывания днища ковша экскаватора / Промышленная энергетика, 1994, №4, с. 9-10; Дроздова Л.Г., Курбатова А.А. Одноковшовые экскаваторы: Конструкция, монтаж и ремонт. - Владивосток, Издательство ДВГТУ, 2007, с. 53-56).
В процессе работы экскаватора всегда производится предварительное натяжение троса путем задания для привода начального значения тока электродвигателя постоянного тока. При действии команды машиниста на открывание днища ковша путем нажатия кнопки на джойстике происходит ступенчатое увеличение тока электродвигателя. При увеличении тока происходит резкое увеличение момента и выдергивание засова днища ковша экскаватора. При отпускании кнопки управления происходит возврат схемы в начальное состояние, соответствующее протеканию в якорной обмотке электродвигателя тока, обеспечивающего подтягивание троса. Момент, развиваемый двигателем постоянного тока, пропорционален току якорной обмотки. Для регулирования тока якорной обмотки двигателя используется тиристорный выпрямитель. Двигатель постоянного тока из-за щеточно-коллекторного узла имеет низкую надежность. Следовательно, известные устройства имеют повышенную сложность и низкую надежность.
Таким образом, недостаток известных устройств электроприводов открывания днища ковша экскаватора состоит в повышенной сложности конструкции и низкой надежности устройства.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому техническому решению является электрический привод открывания днища ковша экскаватора, содержащий источник питания, трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и повышенным скольжением, вал которого соединен с барабаном и намотанным на нем тросом, соединенным через рычажный механизм с засовом днища ковша, кнопку управления открыванием днища ковша, подключенную к S-входу RS-триггера, логический элемент ИЛИ, первый вход которого через таймер подключен к выходу RS-триггера, второй вход соединен с выходом блока начальной установки, а выход подключен к R-входу RS-триггера, таймер, включенный между выходом RS-триггера и вторым входом логического элемента ИЛИ и тиристорный регулятор переменного напряжения с блоком фазового управления тиристорами, включенный между источником питания и электродвигателем (Патент РФ №2734182, МПК E02F 9/20 (2006.01) E02F 3/42 (2006.01) E02F 3/46 (2006.01). Электрический привод открывания днища ковша экскаватора / С.И. Малафеев. - Опубл. 13.10.2020, Бюл. №29).
При работе экскаватора в устройстве электропривода в начальный момент устанавливается выходное напряжение тиристорного регулятора, которое обеспечивает работу электрического привода в режиме подтягивания троса. Максимальный момент, развиваемый при этом асинхронным двигателем с повышенным скольжением пропорционален квадрату действующего значения основной гармоники приложенного напряжения. Скорость подтягивания троса практически линейно зависит от момента сопротивления троса. При включении кнопки управления на выходе тиристорного регулятора устанавливается напряжение, обеспечивающее создание большого механического момента. Это приводит к выдергиванию засова и открыванию днища ковша экскаватора. После выдергивания засова происходит резкое уменьшение нагрузки и, следовательно, увеличение скорости электродвигателя. Днище ковша открывается под действием содержимого, происходит выгрузка горной породы. Электропривод при этом осуществляет наматывание троса на барабан при малой нагрузке. После окончания интервала времени τ (выдержки времени таймера) в блоке фазового управления тиристорами формируется сигнал, устанавливающий начальное выходное напряжение тиристорного регулятора, соответствующее режиму подтягивания троса.
В известном устройстве электропитание трехфазного асинхронного двигателя осуществляется от питающей сети с помощью тиристорного регулятора переменного напряжения. При постоянной частоте питающего напряжения угловая скорость двигателя при подтягивании в зависимости от сопротивления троса может изменяться в широком диапазоне: от 0 до синхронной угловой скорости двигателя. В результате этого механические компоненты привода испытывают повышенные динамические нагрузки. При использовании тиристорного регулятора напряжение и ток содержат высшие гармоники. Протекание токов высших гармоник создает дополнительные потери в обмотках двигателя и питающей сети. Это служит причиной низких энергетических характеристик устройства.
Таким образом, недостаток известного устройства электропривода открывания днища ковша экскаватора - повышенные динамические нагрузки механических компонентов и низкие энергетические характеристики.
Цель предлагаемого изобретения - снижение динамических нагрузок и повышение энергетических характеристик устройства электропривода открывания днища ковша экскаватора.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство электропривода открывания днища ковша экскаватора, содержащее источник питания, трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и повышенным скольжением, вал которого соединен с барабаном и намотанным на нем тросом, соединенным через рычажный механизм с засовом днища ковша, кнопку управления открыванием днища ковша, подключенную к S-входу RS-триггера, логический элемент ИЛИ, первый вход которого через таймер подключен к выходу RS-триггера, второй вход соединен с выходом блока начальной установки, а выход подключен к R-входу RS-триггера, таймер, включенный между выходом RS-триггера и первым входом логического элемента ИЛИ, дополнительно введены преобразователь частоты, включенный между источником питания и асинхронным двигателем, и блок управления, включенный между выходом RS-триггера и управляющим входом преобразователя частоты.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый электрический привод открывания днища ковша экскаватора имеет следующие новые признаки:
- преобразователь частоты, включенный между источником питания и асинхронным двигателем;
- блок управления преобразователем частоты, включенный между выходом RS-триггера и управляющим входом преобразователя частоты.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
По каждому из отличительных признаков проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и горного электрооборудования.
Преобразователи частоты с блоками управления в устройствах аналогичного назначения не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
При реализации предлагаемого технического решения обеспечивается повышение энергетических характеристик электропривода открывания днища ковша экскаватора. Это объясняется использованием преобразователя частоты для электропитания трехфазного асинхронного двигателя. За счет практически синусоидальной формы тока двигателя достигается снижение потерь в обмотках двигателя и питающей сети. В этом случае крутящий момент двигателя регулируется путем задания напряжения и частоты на выходе преобразователя частоты. При этом в конструкции привода не используются специальные регуляторы скорости и момента. Таким образом, предлагаемое техническое решение характеризуется повышенными энергетическими характеристиками при простой схемотехнической реализации.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
0
2
1
1
2
2
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана упрощенная схема электрического привода открывания днища ковша экскаватора. На фиг. 1 обозначено: 1 - источник питания; 2 - преобразователь частоты; 3 - блок управления преобразователем частоты; 4 - таймер; 5 - элемент ИЛИ; 6 - блок начальной установки; 7 - RS-триггер; 8 - кнопка управления открыванием днища ковша; 9 - электродвигатель; 10 - рабочий орган экскаватора (стрела и рукоять с ковшом); 11 - барабан; 12 - трос; 13 - рычажный механизм; 14 - днище ковша; 15 - засов, 16 - ковш. Другие механизмы рабочих органов экскаватора и электрооборудование экскаватора для упрощения чертежа не показаны. На фиг. 2 показаны механические характеристики асинхронного двигателя при различных значениях напряжения и частоты на статорной обмотке; Ω - угловая скорость двигателя; Ω - синхронная угловая скорость при частоте преобразователя ƒ; М - механический момент. Линия 1 на фиг. 1 соответствует напряжению U и частоте ƒ в режиме подтягивания троса. Линия 2 соответствует напряжению U частоте ƒ в режиме выдергивания засова.
В устройстве электропривода открывания днища ковша экскаватора электродвигатель 9 подключен через преобразователь частоты 2 с блоком управления 3 к источнику питания 1, вал электродвигателя 9 соединен с барабаном 11 и намотанным на нем тросом 12, соединенным через рычажный механизм 14 с засовом 15 днища ковша 16, кнопка 8 управления открыванием днища ковша подключена к S-входу RS-триггера 7, выход которого через таймер 4 подключен к первому входу логического элемента ИЛИ 5, второй вход которого соединен с блоком начальной установки 6, вход блока управления 3 подключен к выходу RS-триггера 7. При этом электродвигатель выполнен в виде трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и повышенным скольжением.
Электропривод открывания днища ковша содержит трехфазный асинхронный двигатель с повышенным скольжением 9. Статорная обмотка двигателя 9 подключена к выходу преобразователя частоты 2. Управление двигателем производится регулированием напряжения и частоты на статорной обмотке с помощью преобразователя частоты 2.
1
1
Работа устройства электрического привода открывания днища ковша экскаватора происходит следующим образом. В начальный момент работы устройства на выходе блока установки 6 действует импульс, поступающий через элемент ИЛИ 5 на R-вход RS-триггера 7 и устанавливающий отрицательным фронтом этот RS-триггер в состояние логического нуля на выходе. При этом в блоке управления преобразователем частоты 3 формируется сигнал в виде цифрового кода, устанавливающий в преобразователе частоты выходное напряжение равным U, а частоту ƒ.
1
1
1
1
1
1
1
Трехфазное выходное напряжение преобразователя частоты с параметрами (U, ƒ) обеспечивает работу электрического привода в режиме подтягивания троса. Искусственная механическая характеристика привода для этого случая показана на фиг. 2, линия 1. Частота ƒ определяет синхронную угловую скорость двигателя в режиме подтягивания, а напряжение U при частоте ƒопределяет максимальный момент М в этом режиме. Скорость подтягивания троса 12 зависит от момента сопротивления троса. При натяжении троса 12 момент равен М, угловая скорость двигателя 9 равна 0.
2
2
2
При включении кнопки управления 8 RS-триггер 7 за счет действия на его S-входе импульса переходит в состояние с уровнем логической единицы на выходе. При этом в блоке управления преобразователем частоты 3 формируется сигнал в виде цифрового кода, устанавливающий в преобразователе частоты выходное напряжение равным U, а частоту ƒ. Искусственная механическая характеристика привода для этого случая показана на фиг. 2, линия 2. Максимальный момент, развиваемый двигателем, равен М. Электрический привод переходит в режим открывания днища ковша. Это приводит к выдергиванию засова 15 и открыванию днища 14 ковша 16 экскаватора.
1
1
В момент перехода RS-триггера 7 в состояние с уровнем логической единицы на выходе происходит включение таймера 4. После окончания интервала времени т (выдержки времени таймера 4) выходной сигнал таймера 4 через логический элемент ИЛИ 5 устанавливает RS-триггер 7 в состояние с уровнем логического нуля на выходе. В результате этого в блоке управления преобразователем частоты 3 формируется сигнал, устанавливающий выходное напряжение и частоту трехфазного напряжения на выходе преобразователя частоты соответственно U и ƒ. При этом обеспечивается работа электропривода в режиме подтягивания троса.
Управление двигателем в двух режимах - подтягивания троса и выдергивания засова, осуществляется простым регулированием напряжения и частоты на статорной обмотке двигателя с помощью преобразователя частоты. Выбор пониженной частоты выходного трехфазного напряжения в режиме подтягивания позволяет снизить динамические нагрузки механических компонентов электропривода. При этом за счет формирования напряжения с малым уровнем высших гармоник на выходе преобразователя частоты ток статорной обмотки асинхронного двигателя практически синусоидальный. В результате этого обеспечивается повышение энергетических характеристик электропривода открывания днища ковша экскаватора.
Следовательно, использование в устройстве электропривода открывания днища ковша экскаватора, содержащем источник питания, трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и повышенным скольжением, вал которого соединен с барабаном и намотанным на нем тросом, соединенным через рычажный механизм с засовом днища ковша, кнопку управления открыванием днища ковша, подключенную к S-входу RS-триггера, логический элемент ИЛИ, первый вход которого через таймер подключен к выходу RS-триггера, второй вход соединен с выходом блока начальной установки, а выход подключен к R-входу RS-триггера, таймер, включенный между выходом RS-триггера и первым входом логического элемента ИЛИ, преобразователя частоты, включенного между источником питания и асинхронным двигателем, и блока управления, включенного между выходом RS-триггера и управляющим входом преобразователя частоты, обеспечивает снижение динамических нагрузок механических компонентов и повышает энергетическую эффективность работы электропривода.
Использование предлагаемого устройства электропривода открывания днища ковша экскаватора на карьерных машинах будет способствовать повышению энергоэффективности, надежности и качества работы электрооборудования.