СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ОТКРЫВАНИЯ ДНИЩА КОВША ЭКСКАВАТОРА
CONTROL METHOD OF ELECTRIC DRIVE OF EXCAVATOR BUCKET OPENING

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования на экскаваторах с целью повышения надежности работы электрооборудования и механизмов открывания днища ковша экскаватора.
Известны способы управления электроприводом открывания днища ковша экскаватора, при которых осуществляют натяжение троса, соединенного через систему рычагов с защелкой, путем наматывания его на барабан с помощью двигателя постоянного тока в двух режимах: подтягивания троса и открывания днища ковша путем увеличения момента, развиваемого двигателем до постоянной максимальной величины одной или последовательно двумя ступенями задания тока (Патент РФ №2012741, МПК E02F 9/020, 1994; 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; Ярцев Г.М. и др. Экскаваторы ЭКГ-4,6А и ЭКГ-4,6Б. Конструкция и эксплуатация. - М.: Машиностроение, 1970, с. 15-21).
В процессе работы экскаватора всегда производится предварительное натяжение троса путем задания для привода начального значения тока двигателя. При действии команды машиниста на открывание днища ковша путем нажатия кнопки на джойстике происходит ступенчатое увеличение тока двигателя. При увеличении тока до значения, соответствующего первой ступени, начинается ускоренное вращение двигателя, обеспечивающее дополнительное подтягивание троса и выбор зазоров в кинематических передачах. При возрастании тока до значения, соответствующего второй ступени, происходит резкое увеличение момента и выдергивание засова днища ковша экскаватора. При отпускании кнопки управления происходит возврат схемы в начальное состояние, соответствующее действию в электроприводе тока подтягивания троса. При этом в электроприводе действует дополнительная токовая перегрузка после выдергивании засова до момента отключения кнопки управления. При задании тока большой величины происходит сильное натяжение троса и нагружение механических элементов системы, снижающее их надежность и долговечность.
Таким образом, недостаток известного способа управления электроприводом открывания днища ковша экскаватора состоит в низкой надежности механизма открывания вследствие действия большого момента в интервале времени после выдергивания засова до отключения кнопки управления.
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому способу является способ управления электроприводом открывания днища ковша экскаватора, при котором осуществляют натяжение троса, соединенного через систему рычагов с защелкой, путем наматывания его на барабан с помощью двигателя постоянного тока в двух режимах: подтягивания троса и открывания днища ковша путем увеличения момента, развиваемого двигателем до постоянной максимальной величины (Малафеев С.И., Мамай B.C. Электропривод открывания днища ковша экскаватора / Промышленная энергетика, 1994, №4, с. 9-10).
Для реализации известного способа используется электропривод постоянного тока с обратной связью по току. В процессе работы экскаватора всегда производится предварительное натяжение троса путем задания для привода начального значения тока. При действии команды машиниста на открывание днища ковша путем нажатия кнопки на джойстике происходит увеличение задания тока. При возрастании тока до значения, соответствующего заданному максимальному значению в режиме открывания, происходит резкое увеличение механического момента и выдергивание засова днища ковша экскаватора. При отпускании кнопки управления происходит возврат схемы в начальное состояние, соответствующее действию в электроприводе тока подтягивания троса. При этом в электроприводе действует дополнительная токовая перегрузка после выдергивании засова до момента отключения кнопки управления. При задании тока большой величины происходит сильное натяжение троса и нагружение механических элементов системы, снижающее их надежность и долговечность.
Таким образом, недостаток известного способа управления электроприводом открывания днища ковша экскаватора состоит в низкой надежности механизма открывания вследствие действия большого момента в интервале времени после выдергивания засова до отключения кнопки управления.
Цель предполагаемого изобретения - повышение надежности механизма открывания путем уменьшения времени действия большого момента в процессе открывания днища ковша экскаватора.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления электроприводом открывания днища ковша экскаватора, при котором осуществляют натяжение троса, соединенного через систему рычагов с засовом, наматыванием троса на барабан с помощью двигателя постоянного тока в двух режимах: подтягивания троса и открывания днища ковша путем увеличения момента, развиваемого двигателем, дополнительно для электропривода задают номинальную угловую скорость, в режиме подтягивания троса устанавливают ограничение тока двигателя на уровне, достаточном для выбора слабины троса, в режиме открывания днища ковша увеличивают ограничение тока до заданной максимальной величины, измеряют ток двигателя, сравнивают его с пороговым уровнем, при снижении тока до порогового уровня в электроприводе устанавливают ограничение тока, соответствующее режиму подтягивания троса.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый способ имеет следующие новые признаки:
- для электропривода задают номинальную угловую скорость;
- в режиме подтягивания троса устанавливают ограничение тока двигателя на уровне, достаточном для выбора слабины троса;
- в режиме открывания днища ковша увеличивают ограничение тока до заданной максимальной величины;
- измеряют ток двигателя;
- сравнивают измеренный ток с пороговым уровнем;
- при снижении тока до порогового уровня в электроприводе устанавливают ограничение тока, соответствующее режиму подтягивания троса.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
По каждому из отличительных признаков проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и горного электрооборудования.
Операции:
- для электропривода задают номинальную угловую скорость;
- измеряют ток двигателя;
- сравнивают измеренный ток с пороговым уровнем,
известны и используются электроприводах различного назначения (Анучин С.А. Системы управления электроприводов / М., Издательский дом МЭИ, 2015 - 373 с.). Применение указанных операций в электроприводах открывания днища ковша экскаватора не обнаружено.
Операции:
- в режиме подтягивания троса устанавливают ограничение тока двигателя на уровне, достаточном для выбора слабины троса;
- в режиме открывания днища ковша увеличивают ограничение тока до заданной максимальной величины;
- при снижении тока до порогового уровня в электроприводе устанавливают ограничение тока, соответствующее режиму подтягивания троса,
в известных технических решениях аналогичного назначения не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
При реализации предлагаемого технического решения обеспечивается повышение надежности механизма открывания днища ковша экскаватора. В результате действия команды на открывание днища ковша происходит увеличение ограничения тока привода. Ток якорной обмотки увеличивается до значения, превышающего момент сопротивления механизма, удерживающего засов. После выдергивания засова происходит резкое уменьшение нагрузки и, следовательно, тока электродвигателя. Днище открывается под действием содержимого ковша и происходит выгрузка горной породы. Электропривод при этом осуществляет только наматывание троса на барабан при малой нагрузке. При снижении тока до заданного значения устанавливается ограничение тока, соответствующее режиму подтягивания троса. Таким образом, нагружение механизма открывания днища ковша экскаватора происходит только при выдергивании засова.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана упрощенная схема электропривода открывания днища ковша экскаватора, иллюстрирующая предлагаемый способ. На схеме обозначено:
1 - регулятор тока электропривода; 2 - пороговый элемент; 3 - элемент ИЛИ; 4 - блок начальной установки; 5 - усилитель мощности; 6 - RS-триггер; 7 - кнопка управления открыванием днища ковша; 8 - усилитель сигнала датчика тока; 9 - преобразователь электропитания обмотки возбуждения двигателя; 10 - датчик тока; 11 - управляемый блок ограничения задания тока электропривода; 12 - обмотка возбуждения двигателя; 13 - датчик напряжения; 14 - фильтр; 15 - регулятор напряжения; 16 - регулятор угловой скорости; 17 - задатчик угловой скорости; 18 - рабочий орган экскаватора (стрела и рукоять с ковшом); 19 - барабан; 20 - трос; 21 - рычажный механизм; 22 - днище ковша; 23 - засов, 24 - ковш. Другие механизмы рабочих органов экскаватора и электрооборудование экскаватора для упрощения чертежа не показаны.
Электропривод открывания днища ковша содержит двигатель постоянного тока с якорной обмоткой 16 и обмоткой возбуждения 12. Обмотка возбуждения подключена к выходу преобразователя 9 электропитания обмотки возбуждения 12. Управление двигателем производится регулированием напряжения на якорной обмотке с помощью усилителя мощности 5. Электропривод реализован с использованием принципа подчиненного регулирования координат. Главная обратная связь замкнута по напряжению на якорной обмотке двигателя 16 с помощью последовательно соединенных датчика напряжения 13 и фильтра 14. Задание угловой скорости двигателя осуществляется с помощью задатчика 17 (угловая скорость двигателя постоянного тока пропорциональна напряжению на якорной обмотке). Регулятор напряжения 15 выполняет сравнение сигнала задания угловой скорости и сигнала обратной связи, действующего на выходе фильтра 14 и преобразования сигнала рассогласования в соответствии с пропорциональным (или пропорционально-интегральным) законом регулирования.
Выходной сигнал регулятора напряжения 15 поступает на вход управляемого блока ограничения задания тока электропривода 11.
Управление блоком ограничения 11 осуществляется выходным сигналом RS-триггера 6: при выходном сигнале RS-триггера, соответствующем уровню логического нуля, в блоке ограничения 11 установлено ограничение, соответствующее току подтягивания каната; при выходном сигнале RS-триггера, соответствующем уровню логической единицы, в блоке ограничения 11 установлено ограничение, соответствующее току открывания днища ковша. Состояние RS-триггера определяется действием сигналов блока начальной установки 4, кнопки управления 7 открыванием днища ковша и переключением порогового элемента 2.
Подчиненный контур регулирования тока электропривода организован с помощью датчика тока 10 и усилителя сигнала датчика тока 8 и регулятора тока 1, реализующего пропорционально-интегральный закон регулирования. Сигнал задания для регулятора тока 1 поступает с выхода регулируемого блока ограничения 11. Выходной сигнал регулятора тока 1 действует на входе усилителя мощности 5.
Работа электропривода открывания днища ковша экскаватора происходит следующим образом. С помощью задатчика 17 в электроприводе всегда установлено задание угловой скорости, соответствующее номинальной угловой скорости электродвигателя. В начальный момент работы привода на выходе блока установки 4 действует импульс, поступающий через элемент ИЛИ 3 на R-вход RS-триггера 6 и устанавливающий отрицательным фронтом этот RS-триггер в состояние логического нуля на выходе. При этом в управляемом блоке ограничения 11 установлено ограничение, соответствующее току подтягивания троса 20. Ограничение тока якорной обмотки 16 соответствует минимальному значению, достаточному для создания электромагнитного момента подтягивания троса 20 (электромагнитный момент двигателя пропорционален току якорной обмотки 16 двигателя). При натяжении троса 20 ток якорной обмотки 16 равен установленному ограничению, угловая скорость двигателя равна 0.
При включении кнопки управления 7 RS-триггер 6 за счет действия на его S-входе импульса переходит в состояние с уровнем логической единицы на выходе. При этом в блоке 11 устанавливается максимальное значение ограничения тока. В результате этого ток и пропорциональный ему электромагнитный момент двигателя резко возрастают. Это приводит к выдергиванию засова 23 и открыванию днища 22 ковша 24 экскаватора. После выдергивания засова 23 нагрузка электропривода резко уменьшается и происходит снижение тока двигателя. При достижении током порогового уровня, заданного пороговым элементом 2, происходит переключение порогового элемента 2 и установка RS-триггера 6 в состояние с уровнем логического нуля на выходе. В результате этого в управляемом блоке ограничения 11 устанавливается ограничение, соответствующее току подтягивания троса.
При рассмотренном алгоритме работы электропривода ток якорной обмотки 16 двигателя определяется нагрузкой, соответствующей механическому усилию удержания засова 23, и действует только при выдергивании засова. Таким образом, нагружение механизма открывания днища ковша экскаватора происходит только при выдергивании засова. В результате этого обеспечивается повышение надежности механизма открывания днища ковша экскаватора.
С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения было выполнено моделирование электропривода открывания днища ковша экскаватора с помощью MATLAB. При моделировании использовались данные привода и механизма экскаватора ЭКГ-10. Двигатель ДПМ-31 с параметрами: номинальная мощность 12 кВт; номинальное напряжение 110В; номинальный ток 131 А; частота вращения 1300 об/мин; номинальный момент 88 Н⋅м. В Simulink-модели, составленной в соответствии со схемой, изображенной на фиг. 1, использованы П-регулятор напряжения с передаточной функцией
рн
рн
H(s)=k;
рн
рн
где k - коэффициент передачи регулятора напряжения, к=10;
ПИ - регулятор тока с передаточной функцией
рт
рт
где k - коэффициент передачи регулятора тока, k=10;
рт
рт
Т - постоянная времени регулятора тока, Т=0,05 с;
у
усилитель мощности с коэффициентом передачи k=25.
В управляемом блоке ограничения 11 установлены следующие значения ограничения тока: в режиме подтягивания троса 5А, в режиме открывания днища ковша 100 А.
На фиг. 2 показана осциллограмма для тока I, скорости V и перемещения Z троса при открывании днища ковша экскаватора. До момента времени 1 с в управляемом блоке ограничения 11 установлено ограничение тока на уровне 5 А. Ток двигателя поддерживается на заданном уровне. Момент, создаваемый двигателем при таком токе, не достаточен для выдергивания засова, поэтому ротор двигателя заторможен (угловая скорость равна 0). В момент времени 1 с происходит включение кнопки 7. В управляемом блоке ограничения 11 устанавливается ограничение тока на уровне 100 А. Ток двигателя возрастает до значения, соответствующего усилию сопротивления засова 23. После выдергивания засова 23 нагрузка двигателя резко уменьшается, ток снижается. В момент времени 1,4 с ток достигает уровня срабатывания порогового элемента 2, после чего в управляемом блоке ограничения 11 устанавливается ограничение тока на уровне 5 А. Двигатель затормаживается. При этом под действием горной породы происходит открывание днища ковша 22 и выгрузка породы. После выгрузки породы (после момента времени 2 с) за счет действия механизма возврата днище ковша 22 закрывается и происходит его запирание засовом 23.
Следовательно, использование в известном способе управления электроприводом открывания днища ковша экскаватора, при котором осуществляют натяжение троса, соединенного через систему рычагов с защелкой, наматыванием его на барабан с помощью электропривода постоянного тока в двух режимах: подтягивания троса и открывания днища ковша путем увеличения момента, развиваемого двигателем, дополнительно следующих операций: для электропривода задают номинальную угловую скорость, в режиме подтягивания троса устанавливают ограничение тока двигателя на уровне, достаточном для выбора слабины троса, в режиме открывания днища ковша увеличивают ограничение тока до заданной максимальной величины, измеряют ток двигателя, сравнивают его с пороговым уровнем, при снижении тока до порогового уровня устанавливают ограничение тока, соответствующее режиму подтягивания троса, повышает надежность работы механизма открывания днища ковша экскаватора путем уменьшения времени действия большого момента в процессе открывания днища ковша экскаватора.
В результате моделирования определено, что максимальный ток двигателя составляет 90 А, т.е. меньше установленного ограничения 100 А. При этом большой ток действует только в течение времени выдергивания засова.
Использование предлагаемого способа на карьерных экскаваторах будет способствовать повышению надежности и качества работы электрооборудования.