ЭЛЕКТРОПРИВОД ОТКРЫВАНИЯ ДНИЩА КОВША ЭКСКАВАТОРА
EXCAVATOR BUCKET ELECTRIC DRIVE OPENING ITS BOTTOM

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования на карьерных экскаваторах с целью повышения надежности работы электрического привода открывания днища ковша экскаватора.
Известны электроприводы 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 №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; Ефимов В.Н., Цветков В.Н., Садовников Е.М. Карьерные экскаваторы: Справочник рабочего. - М., Недра, 1994, С.120 - 128).
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 управляемый 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 электроприводов открывания днища ковша экскаватора состоит в повышенной сложности конструкции и низкой надежности устройства.
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому устройству является электропривод открывания днища ковша экскаватора, содержащий 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 S-входу RS-триггера, логический элемент ИЛИ, управляемый блок ограничения, блок начальной установки, соединенный с первым входом логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к R-входу RS-триггера, усилитель мощности, включенный между источником питания и якорной обмоткой двигателя постоянного тока, регулятор напряжения, суммирующий вход которого подключен к выходу задатчика угловой скорости, вычитающий вход через фильтр соединен с выходом датчика напряжения, подключенного к выходу усилителя мощности, выход регулятора напряжения через управляемый блок ограничения задания тока электропривода подключен к суммирующему входу регулятора тока, вычитающий вход которого соединен с выходом усилителя сигнала датчика тока, включенного последовательно с якорной обмоткой двигателя постоянного тока, выход регулятора тока подключен к входу усилителя мощности; пороговый элемент, включенный между выходом усилителя сигнала датчика тока и вторым входом логического элемента ИЛИ, обмотка возбуждения двигателя постоянного тока подключена к преобразователю электропитания обмотки возбуждения двигателя (Патент РФ №2701674. МПК E02F 9/20; E02F 3/43; E02F 3/46. Способ управления электроприводом открывания днища ковша экскаватора / С.И. Малафеев, С.С. Малафеев. - Опубл. 30.09.2019. Бюлл. №28).
При работе экскаватора в электроприводе постоянного тока с помощью задатчика всегда установлено задание угловой скорости, равной номинальной угловой скорости электродвигателя. В начальный момент работы привода в управляемом блоке ограничения установлено ограничение, соответствующее току подтягивания троса. При включении кнопки управления устанавливается максимальное значение ограничения тока. В результате этого ток и пропорциональный ему электромагнитный момент двигателя резко возрастают. Это приводит к выдергиванию засова и открыванию днища ковша экскаватора. Ток якорной обмотки увеличивается до значения, превышающего момент сопротивления механизма, удерживающего засов. После выдергивания засова происходит резкое уменьшение нагрузки и, следовательно, тока электродвигателя. Днище ковша открывается под действием содержимого и происходит выгрузка горной породы. Электропривод при этом осуществляет только наматывание троса на барабан при малой нагрузке. При достижении током порогового уровня, заданного пороговым элементом, в управляемом блоке ограничения устанавливается ограничение, соответствующее току подтягивания троса.
В известном устройстве используется электропривод постоянного тока с двумя обратными связями - по току и напряжению, и регулируемым блоком ограничения задания тока. Двигатель постоянного тока из-за щеточно-коллекторного узла имеет низкую надежность. Следовательно, известные устройства имеют повышенную сложность и низкую надежность.
Таким образом, недостаток известного электропривода открывания днища ковша экскаватора - повышенная сложность конструкции и низкая надежность устройства.
Цель предполагаемого изобретения - упрощение конструкции и повышение надежности электропривода открывания днища ковша экскаватора.
Поставленная цель достигается тем, что в известный электропривод открывания днища ковша экскаватора, содержащий 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 S-входу RS-триггера, логический элемент ИЛИ, блок начальной установки, соединенный с первым входом логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к R-входу RS-триггера, и управляемый блок ограничения, дополнительно введены таймер и последовательно соединенные управляемый генератор импульсов и формирователь импульсов, выходы которого подключены к входам управляемого блока ограничения, выходы которого соединены с обмотками электродвигателя, таймер включен между выходом RS-триггера и вторым входом логического элемента ИЛИ, управляющие входы управляемого генератора импульсов и управляемого блока ограничения объединены и подключены к выходу RS-триггера, при этом электродвигатель выполнен шаговым.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый электропривод открывания днища ковша экскаватора имеет следующие новые признаки:
- таймер;
- управляемый генератор импульсов;
- формирователь импульсов;
- электродвигатель выполнен шаговым.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
По каждому из отличительных признаков проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и горного электрооборудования.
Таймеры (реле времени) известны в электрических приводах открывания днища ковша экскаватора (Патент РФ №2012741, МПК E02F 9/020, 1994).
Управляемые генераторы импульсов и формирователи импульсов в известных технических решениях аналогичного назначения не обнаружены.
Электродвигатель в виде шагового двигателя в известных технических решениях аналогичного назначения не обнаружен.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
При реализации предлагаемого технического решения обеспечивается упрощение конструкции и повышение надежности электрического привода открывания днища ковша экскаватора. Это объясняется использованием шагового электрического двигателя, не содержащего скользящих электрических контактов и обмоток на роторе. Шаговый двигатель представляет собой электромеханический преобразователь с постоянной мощностью. Двигатель имеет моментно-скоростную характеристику, близкую к гиперболической. Момент и угловая скорость двигателя регулируются с помощью драйвера, подающего импульсы заданной частоты и амплитуды в обмотки статора. При этом в конструкции привода не используются датчики обратной связи (токов и напряжений) специальные регуляторы. Таким образом, предлагаемое техническое решение характеризуется упрощением конструкции и повышением надежности электропривода открывания днища ковша экскаватора.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
1
1
2
2
f
f
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана схема электропривода открывания днища ковша экскаватора, на фиг.2 показаны моментно-скоростные характеристики шагового двигателя при различных напряжениях и частотах на статорной обмотке: при напряжении U и частоте  в режиме подтягивания троса (линия 1) и при напряжении U и частоте  в режиме выдергивания засова (линия 2)
На схеме обозначено: 1 - управляемый генератор импульсов; 2 - формирователь импульсов; 3 - таймер; 4 - логический элемент ИЛИ; 5 - блок начальной установки; 6 - управляемый блок ограничения; 7 - RS-триггер; 8 - кнопка управления открыванием днища ковша; 9 - шаговый электродвигатель; 10 и 11 обмотки шагового электродвигателя; 12 - рабочий орган экскаватора (стрела и рукоять с ковшом); 13 - барабан; 14 - трос; 15 - рычажный механизм; 16 - днище ковша; 17 - засов, 18 - ковш. Другие механизмы рабочих органов экскаватора и электрооборудование экскаватора для упрощения чертежа не показаны.
В электроприводе открывания днища ковша экскаватора обмотки 10 и 11 электродвигателя 9 подключены к выходу управляемого блока ограничения 6, вход которого через формирователь импульсов 2 соединен с выходом управляемого генератора импульсов 1, вал электродвигателя 9 соединен с барабаном 13 с намотанным на нем тросом 14, соединенным через рычажный механизм 16 с засовом 17 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 4, второй вход которого соединен с блоком начальной установки 5, объединенные управляющие входы управляемого генератора импульсов 1 и управляемого блока ограничения 6 вход блока фазового управления тиристорами 3 подключены к выходу RS-триггера 7. При этом электродвигатель выполнен в виде шагового двигателя.
В электроприводе открывания днища ковша экскаватора применен шаговый двигатель. Статорные обмотки 10 и 11 двигателя 9 подключены к выходу управляемого блока ограничения 6. Управление двигателем производится регулированием напряжения и частоты импульсов на статорных обмотках 10 и 11 с помощью управляемого генератора импульсов 1, формирователя импульсов 2 и управляемого блока ограничения 6.
f
f
1
1
1
1
1А
1А
1А
Работа электропривода открывания днища ковша экскаватора происходит следующим образом. В начальный момент работы устройства на выходе блока начальной установки 5 действует импульс, поступающий через логический элемент ИЛИ 4 на R-вход RS-триггера 7 и устанавливающий отрицательным фронтом этот RS-триггер в состояние логического нуля на выходе. При этом в результате действия на объединенных входах управляемого генератора импульсов 1 и управляемого блока ограничения 6 сигнала с уровнем логического 0 с выхода RS-триггера 7 на выходе управляемого блока ограничения 6 формируются последовательности импульсов для шагового двигателя с частотой  и напряжением U (точка А на моментно-скоростной характеристике 1 на фиг.2). Импульсы управления с частотой  и напряжением U обеспечивают работу электрического привода в режиме подтягивания троса. Максимальный момент, развиваемый двигателем, равен М. Скорость подтягивания троса 14 зависит от момента сопротивления троса. При натяжении троса 14 момент равен М, угловая скорость двигателя 9 равна 0. Если при движении ковша момент сопротивления нагрузки, приложенной к барабану 13, превышает М, происходит разматывание троса 14.
f
2
2
2Б
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 результате действия на объединенных входах управляемого генератора импульсов 1 и управляемого блока ограничения 6 сигнала с уровнем логической 1 с выхода RS-триггера 7 на выходе управляемого блока ограничения 6 формируются последовательности импульсов для шагового двигателя с частотой  и напряжением U (точка Б на моментно-скоростной характеристике 2 на фиг.2). Максимальный момент, развиваемый двигателем, равен М. Электропривод переходит в режим открывания днища ковша. Это приводит к выдергиванию засова 17 и открыванию днища 16 ковша 18 экскаватора. При этом происходит выгрузка породы.
f
1
1
В момент перехода RS-триггера 7 в состояние с уровнем логической единицы на выходе происходит включение таймера 3. После окончания интервала времени τ (выдержки времени таймера 3) выходной сигнал таймера 3 через логический элемент ИЛИ 4 устанавливает RS-триггер 7 в состояние с уровнем логического нуля на выходе. В результате этого на объединенных входах управляемого генератора импульсов 1 и управляемого блока ограничения 6 с выхода RS-триггера 7 действует сигнал с уровнем логического 0. На выходе управляемого блока ограничения 6 формируются последовательности импульсов для шагового двигателя с частотой  и напряжением U, которые обеспечивают работу электропривода в режиме подтягивания троса.
После выгрузки породы за счет действия механизма возврата днище 16 ковша 18 закрывается и происходит его запирание засовом 17.
Шаговый двигатель отличается от двигателя постоянного тока повышенной надежностью из-за отсутствия скользящих контактов (щеточно-коллекторного узла) и отсутствием обмоток на роторе. Управление двигателем в двух режимах - подтягивания троса и выдергивания засова, осуществляется простым регулированием частоты и амплитуды импульсов напряжения на статорных обмотках двигателя. При этом не используются датчики обратных связей по току и напряжению. В результате этого обеспечивается упрощение конструкции и повышение надежности электропривода открывания днища ковша экскаватора.
Следовательно, использование в электроприводе открывания днища ковша экскаватора, содержащем 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 S-входу RS-триггера, логический элемент ИЛИ, блок начальной установки, соединенный с первым входом логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к R-входу RS-триггера, и управляемый блок ограничения, дополнительно таймера и последовательно соединенных управляемого генератора импульсов и формирователя импульсов, выходы которого подключены к входам управляемого блока ограничения, выходы которого соединены с обмотками электродвигателя, таймер включен между выходом RS-триггера и вторым входом логического элемента ИЛИ, управляющие входы управляемого генератора импульсов и управляемого блока ограничения объединены и подключены к выходу RS-триггера, при этом электродвигатель выполнен шаговым, упрощает конструкцию устройства и повышает надежность работы устройства.
Использование предлагаемого способа на карьерных экскаваторах будет способствовать повышению надежности и качества работы электрооборудования.