УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ОЧИСТНОГО КОМБАЙНА

Предложенное техническое решение относится к автоматическому управлению горными машинами, и может быть использовано при построении систем автоматизированного управления очистными комбайнами для повышения их надежности и производительности, путем применения нейронных сетей.
Известно устройство управления электроприводом очистного комбайна (Бабокин Г.И., Гнатюк Т.А. Оценка робастности системы управления электроприводом комбайна для различных регуляторов нагрузки. Известия ТулГУ, 2013, №2, с. 10-15.), включающим два асинхронных электродвигателя резания, подключенные к сети переменного тока, два асинхронных электродвигателя подачи, подключенные к выходу преобразователя частоты, содержащее датчик тока резания, регулятор нагрузки, блок сравнения, выход которого соединен с первым входом регулятора нагрузки, блок задания тока резания, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика тока резания, а выход регулятора нагрузки соединен со вторым входом преобразователя частоты, первый вход которого подключен к сети переменного тока.
Недостатком известного устройства являются: низкая надежность электропривода, обусловленная отсутствием информации о параметрах технического состояния его силовых элементов; низкая производительность работы комбайна, т.к. при превышении параметрами комбайна, таких как: температура и виброускорение силовых элементов электропривода нормативных значений или снижения сопротивления изоляции ниже нормативного, система управления электроприводом комбайна отключает его от электрической сети. Последующее включение электропривода комбайна возможно при устранении неисправности, что приводит к снижению его времени полезной работы и производительности.
8
Наиболее близким техническим решением является устройство управления электроприводом очистного комбайна (патент РФ №164927, МПК Е21С 35/24, опубл. 27.09.2016, Бюл. №27), включающее два асинхронных электродвигателя резания, подключенные к сети переменного тока, два асинхронных электродвигателя подачи, подключенные к выходу преобразователя частоты, содержащее датчик тока резания, регулятор нагрузки, блок сравнения, выход которого соединен с первым входом регулятора нагрузки, блок задания тока резания, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика тока резания, а выход регулятора нагрузки соединен со вторым входом преобразователя частоты, первый вход которого подключен к сети переменного тока, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок контроля и прогнозирования параметров элементов электропривода, блок датчиков, блок пороговых сигналов и блок сигнализации, причем регулятор нагрузки снабжен вторым входом, соединенным с первым выходом блока контроля и прогнозирования параметров элементов электропривода, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами блока датчиков и блока пороговых сигналов, а его второй выход соединен с входом блока сигнализации.
Недостатком данного технического решения являются: низкая надежность рабочего органа очистного комбайна, обусловленная отсутствием информации о техническом состоянии горно-режущего инструмента, под которым следует понимать способность исполнительного органа длительно сохранять свою работоспособность до наступления предельного состояния при определенных условиях эксплуатации. Внезапная поломка резца не приводит к отказу комбайна в целом и зачастую не может быть выявлена до его остановки визуальным осмотром исполнительного органа. Длительная работа комбайна с вышедшим из строя резцом может приводить к существенному снижению ресурса элементов трансмиссии исполнительного органа. Кроме того, недостаточная точность оценки ресурса деталей и узлов трансмиссии комбайнов, сложность и высокая трудоемкость их диагностирования приводит к увеличению количества простоев добычных машин вследствие внезапных отказов и росту материальных затрат на поддержание их работоспособности.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности эксплуатации и производительности очистного комбайна, за счет прогнозирования технического состояния его исполнительного органа и выдачи упреждающего управляющего воздействия на систему управления комбайна, и организации своевременного его технического обслуживания и ремонта.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве управления электроприводом очистного комбайна, включающим два асинхронных электродвигателя резания, подключенные к сети переменного тока, два асинхронных электродвигателя подачи, подключенные к выходу преобразователя частоты, содержащее датчик тока двигателей резания, регулятор нагрузки, блок сравнения, выход которого соединен с первым входом регулятора нагрузки, блок задания тока двигателей резания, блок контроля и прогнозирования параметров элементов электропривода, блок датчиков, блок пороговых сигналов и блок сигнализации, причем выход блока задания тока двигателей резания соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика тока двигателей резания, выход регулятора нагрузки соединен со вторым входом преобразователя частоты, первый вход которого подключен к сети переменного тока, второй вход регулятора нагрузки соединен с первым выходом блока контроля и прогнозирования параметров элементов электропривода, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами блока датчиков и блока пороговых сигналов, а его второй выход соединен с входом блока сигнализации, дополнительно введены датчик тока двигателей подачи, два датчика напряжения соответственно двигателей резания и подачи и блок вычисления энергоемкости разрушения, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами датчиков тока двигателей резания и подачи, а выходы датчиков напряжения двигателей резания и подачи соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока вычисления энергоемкости разрушения, выход которого соединен с первым входом блока контроля и прогнозирования параметров элементов электропривода.
Причем, блок вычисления энергоемкости разрушения содержит два датчика активной мощности соответственно двигателей резания и подачи, два блока умножения, блок суммирования, блок базы данных и блок вычисления производительности комбайна и блок деления, причем первый и второй входы блока вычисления энергоемкости разрушения соединены соответственно с первым и вторым входами датчика активной мощности двигателей резания, выход которого соединен с первым входом первого блока умножения, третий и четвертый входы блока вычисления энергоемкости разрушения соединены соответственно с первым и вторым входами датчика активной мощности двигателей подачи, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения, выход блока базы данных соединен со вторыми входами соответственно первого и второго блоков умножения и входом блока вычисления производительности комбайна, выходы первого и второго блоков умножения соединены соответственно с первым и вторым входами блока суммирования, выход которого подключен к первому входу блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления производительности комбайна, а выход блока деления является выходом блока вычисления энергоемкости разрушения.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства управления электроприводом очистного комбайна, на фиг. 2 представлена структурная схема блока вычисления энергоемкости разрушения.
Устройство управления электроприводом очистного комбайна, включающим два асинхронных электродвигателя резания соответственно 1 и 2, два асинхронных электродвигателя подачи соответственно 3 и 4, содержит датчики тока соответственно резания 5 и подачи 6, датчики напряжения соответственно двигателей резания 7 и подачи 8, преобразователь частоты 9, регулятор нагрузки 10, блок сравнения 11, блок задания тока резания 12, блок датчиков 13, блок пороговых сигналов 14, блок сигнализации 15, блок контроля и прогнозирования параметров элементов электропривода 16 и блок вычисления энергоемкости разрушения 17. Два электродвигатели резания 1 и 2 подключены к сети переменного тока, два электродвигателя подачи 3 и 4 - к выходу преобразователя частоты 9, первый вход которого также подключен к сети переменного тока.
Блок 17 вычисления энергоемкости разрушения содержит два датчика активной мощности соответственно двигателей резания 18 и подачи 19, два блока умножения 20 и 21, блок суммирования 22, блок базы данных 23, блок вычисления производительности комбайна 24 и блок деления 25.
Устройство управления электроприводом очистного комбайна работает следующим образом.
Ф
З
Регулятор нагрузки 7, обеспечивает поддержание на заданном уровне тока электродвигателя резания 1 или 2 - I сигнал о величине которого снимается с датчика нагрузки 5. Этот сигнал сравнивается в блоке сравнения 11 с сигналом задания I с выхода блока задания тока резания 12.
АДi
pj
П
из
На вход первый вход блока контроля и прогнозирования параметров элементов электропривода 16 подаются сигналы с блока датчиков 13 пропорциональные данным температуры обмоток статора электродвигателей - t и масла редукторов t, виброускорений подшипников g электродвигателей и шестеренчатых пар редукторов, сопротивления изоляции электрической сети R, питающей электрооборудование комбайна, а также сигнал с выхода блока вычисления энергоемкости разрушения 17 о текущем значении энергоемкости горной машины Y.
пор.п
пор.i
пор.из
пор
В блоке 16 происходит сравнение результатов прогноза с заданными нормативными (пороговыми) значениями, (g, t, R, Y) получаемыми с блока пороговых сигналов 14.
К
При достижении прогнозными параметрами температуры и виброукорений пороговых значений, блок 16 формирует сигнал U на снижение скорости подачи комбайна, что приводит определенному снижению нагрузки на силовые элементы электропривода. Электропривод комбайна работает с пониженной на (5-10)% нагрузкой до технологических перерывов или плановых профилактических ремонтных работ, когда устраняются возможные дефекты силовых элементов. Если в процессе работы контролируемые параметры приходят в норму и прогноз также благоприятен, заданный режим работы электропривода восстанавливается.
При достижении прогнозным значением сопротивления изоляции шахтной сети предельно допустимого минимального значения, режим работы электропривода не изменяется, но в автоматизированную систему участка и шахты подается сигнал с выхода блока сигнализации 15 о необходимости ее восстановления в ближайшее время.
При достижении прогнозным значением энергоемкости горной машины предельно допустимого, режим работы электропривода также не изменяется, но в автоматизированную систему участка и шахты подается сигнал с выхода блока сигнализации 15 о необходимости осмотра исполнительного органа во время ремонтной смены и при необходимости замены вышедших из строя резцов.
Энергоемкость очистного комбайна определяется энергоемкостью разрушения угля:
n
р
ком
где - Р=Р+Р мощность, потребляемая электродвигателями подачи и резания комбайна; Q - производительность комбайна.
п,
В свою очередь мощность Р потребляемая электродвигателями подачи комбайна равна:
п
0
а
где V - скорость передвижения комбайна;  - коэффициент, характеризующий сопротивляемость угля резанию; Р - мощность потребляемая электроприводом комбайна в режиме холостого хода (х.х.).
Производительность комбайна определяется по формуле:
n
где m - средняя вынимаемая мощность пласта; В - ширина захвата комбайна; V - скорость подачи; γ - плотность угля.
0
Решая совместно (1), (2), (3) и используя определение к.п.д. - , где Р - полезная мощность потребляемая электродвигателями подачи и резания комбайна, Р - мощность потребляемая электроприводом комбайна в режиме х.х., получим:
п
р
где ηη - соответственно к.п.д. редукторов и электродвигателей системы подачи и резания комбайна.
р
п
р
n
р
п
Блок 17 вычисления энергоемкости разрушения реализует выражение (4). С помощью датчиков активной мощности двигателей резания 18 и двигателей подачи 19 по значениям сигналов, снимаемых с выходов датчиков тока резания 5 - I и подачи 6 - I и датчиков напряжения двигателей резания 7 - U и подачи 8 - U, вычисляются значения мощностей, которые потребляют соответственно электродвигатели резания 1, 2 - Р и подачи 3, 4 - Р.
а
В блоках умножения 20 и 21 происходит умножение мощностей, потребляемых соответственно электродвигателями резания и подачи на соответствующие значения к.п.д. редукторов и электродвигателей системы резания и подачи комбайна, значения которых хранятся в блоке базы данных 23, в котором также содержаться данные о параметрах комбайна (средняя вынимаемая мощность пласта m, ширина захвата комбайна В) и лавы (плотность угля γ и сопротивляемость угля резанию ). В блоке суммирования значения этих сигналов складываются - числитель (4).
пор
В блоке 24 вычисляется производительность очистного комбайна - знаменатель (4). В результате на выходе блока деления 25 имеем сигнал пропорциональный энергоемкости очистного комбайна - Y, который поступает на вход блока контроля и прогнозирования параметров элементов электропривода 16, где сравнивается с пороговым значением энергоемкости Y, хранящимся в блоке опорных сигналов 14.
На энергоемкость разрушения и погрузки угля очистного комбайна влияет следующие факторы: сопротивляемость угля резанию и износ резцов на исполнительном органе. С увеличением сопротивляемости угля резанию энергоемкость увеличивается. При работе исполнительного органа режущие пластины резцов изнашиваются и образуются площадки износа. Чем выше износ, тем выше площадки износа на резцах, тем выше силы резания, при одной толщине стружки, и тем выше энергоемкость процесса разрушения угля. Результаты эксперимента подтверждают связь износа и поломок режущего инструмента в процессе эксплуатации комбайна с величиной энергоемкости разрушения угля.
Таким образом, сравнение текущего значения энергоемкости разрушения с его пороговым значением позволяет судить о техническом состоянии горнорежущего инструмента очистного комбайна.
Таким образом, введение в устройство дополнительного блока вычисления энергоемкости разрушения 17 позволяет прогнозировать значение технического состояния исполнительного органа очистного комбайна на предмет достижения пороговых (критических) значений. По результатам прогноза выдаются упреждающие рекомендации по техническому обслуживанию исполнительного органа. В результате повышается надежность и производительность очистного комбайна, за счет увеличения продолжительность времени его безаварийной работы.
При практической реализации блока вычисления энергоемкости разрушения 17 в качестве датчиков активной мощности 18, 19 можно применить измерительные преобразователи активной мощности типа Е848/7ЭС. При построении блоков умножения 20, 21 можно использовать перемножители напряжений на микросхеме КР525ПС3. Блок суммирования 22 представляет собой обычный сумматор на операционном усилителе (ОУ). Блок деления 25 можно выполнить на ОУ, включив перемножитель напряжений в цепь его отрицательной обратной связи. Для реализации блока вычисления производительности комбайна 24 можно использовать умножители напряжения.