CC BY
31
УДК 622.232.8.004(075.8)
ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ТЯГИ ЭКСКАВАТОРА ЭШ 20.90 ПРИ РАБОТЕ В ТЯЖЕЛЫХ ГОРНОТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
© А.В. Сорокин1, И.А. Иов2, А.С. Леоненко3
13
' Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2ЗАО «Атлас Копко»,
664005, Россия, ул. 2-я Железнодорожная, 72, оф. 402.
Проведены исследования системы управления электроприводом тяги экскаватора ЭШ 20.90 с регулированием магнитного потока двигателя. Описан блок управления контура возбуждения двигателя. Доказана эффективность применения предлагаемой системы управления с целью снижения динамических нагрузок. Проведена оценка влияния настройки контура возбуждения на параметры электропривода и производительность экскаватора. Ключевые слова: система управления; экскаватор; снижение динамических нагрузок; электропривод.
STUDY OF ЭШ 20.90 EXCAVATOR TRACTION ELECTRIC DRIVE CONTROL SYSTEM AT ARDUOUS MINING CONDITIONS A.V. Sorokin, I.A. Iov, A.S. Leonenko
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. ZAO "Atlas Kopko",
72, 2d Zheleznodorozhnaya St., office 402, Irkutsk, 664005, Russia.
The control system of ЭШ 20.90 excavator traction electric drive with the regulation of motor magnetic flux has been studied. A control unit of the motor excitation circuit is described. The proposed control system is proved to be efficient i n reducing dynamic loads. The influence of excitation circuit tuning on electric drive parameters and excavator performance is evaluated.
Keywords: control system; excavator; reduction of dynamic loads; electric drive.
Основным видом машин, используемых на горном предприятии при разработке пластовых угольных месторождений открытым способом, являются шагающие экскаваторы большой единичной мощности. В процессе эксплуатации надежность экскаватора во многом зависит от выносливости и стойкости узлов редукторов тяги и подъема ковша. Отказы узлов редукторов лебедок приводят к значительным материальным затратам, которые связаны с простоем экскаватора и дополнительными расходами на приобретение запасных частей сверх установленной нормы. Проведенный анализ [1] позволил установить, что основными причинами отказов являются
разрушение деталей вследствие развития усталостных трещин и износ рабочих поверхностей колес. Образование и скорость развития усталостной трещины, интенсивность износа контактирующих поверхностей зависят от нагрузок, испытываемых деталью в процессе работы. Нагрузки, возникающие в редукторе тяги и на рабочем органе, в режимах стопорения, в 1,5-2 раза превышают статические и интенсивно снижают ресурс деталей редуктора. В связи с этим разработка системы управления динамическими нагрузками для электропривода тяги шагающего экскаватора является актуальной задачей.
Исследования, выполненные в ра-
1
Сорокин Александр Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 89027619817, e-mail: sorokin@isea.ru
Sorokin Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and
Electromechanical Systems, tel.: 89027619817, e-mail: sorokin@isea.ru
2Иов Иван Алексеевич, инженер, тел.:89140329437, e-mail: iovivan@rambler.ru
Iov Ivan, Engineer, tel.: 89140329437, e-mail: iovivan@rambler.ru
3Леоненко Алексей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 83952613588, e-mail: idfix3@yandex.ru
Leonenko Alexey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: 83952613588, e-mail: idfix3@yandex.ru
ботах [1, 2], показывают, что в приводе тяги экскаватора необходимо контролировать нагрузки на двигателе, в редукторе (в наиболее нагруженных элементах) и рабочем органе. Разработан способ управления приводом тяги экскаватора [3], который позволяет значительно снизить нагрузки в элементах трансмиссии. Способ предусматривает управление моментом двигателя в функции скорости с ограничением мощности двигателя, что достигается регулированием магнитного поля приводного двигателя и установкой дополнительного контура усилия, формирующего задающий сигнал на преобразователь, питающий обмотку возбуждения генератора. В связи с тем, что появляется второй канал управления (регулирование поля возбуждения двигателя) было необходимо произвести оценку влияния настройки канала управления возбуждением двигателя на электропривод тяги. А также сравнить энергетические и динамические характеристики электропривода при управлении традиционным способом и по предлагаемому закону управления.
Исследования были проведены на электромеханической модели электропривода тяги экскаватора [2]. Модель состоит из электрической части - система генератор-двигатель и механической, представленной трехмассовой расчетной схемой. При составлении модели принимались следующие допущения:
- механические связи (вал, канат) не имеют массы;
- массы сосредоточены;
- жесткость механических связей постоянна;
- зазоры в механизме отсутствуют.
Корректность допущений подтверждается ранее выполненными исследованиями [4, 5]. Механическая часть учитывает моменты вязкого трения и потери на трении в редукторе.
Дополнительно введенный контур системы управления электроприводом тяги экскаватора ЭШ 20.90 представлен на рис. 1 и содержит следующие блоки: блок ЗО1 (ограничение значения скорости двигателя
величиной шном); блок ЗО2 (формирует зону нечувствительности по скорости, от 0 до 0,2мном); блок К1 (регулирует коэффициент усиления сигнала обратной связи по скорости); блок V (коэффициент интенсивности ослабления поля двигателя); блок ЗОз (формирует ограничение максимальной величины ослабления поля двигателя); Ткв. (настроечный параметр регулятора контура управления потоком двигателя); блок Фном (формирует номинальный магнитный поток двигателя); Фдв (магнитный поток двигателя, сформированный с учетом ослабления поля).
Контур управления потоком двигателя работает следующим образом. Формирование сигнала ослабления магнитного потока двигателя вычисляется исходя из скорости двигателя мдв. В диапазоне 0-0,2мном сигнал на блок К1 не поступает, и ослабление потока двигателя не происходит. При превышении скорости двигателя значения 0,2мном сигнал на ослабление формируется по зависимости К/ и определяется величиной коэффициентов К1 и V. Максимальная величина ослабления составляет 0,5Фном, что обеспечивается блоком ограничения ЗО3. Далее, согласно полученной величине ослабления Фосл, магнитный поток двигателя Фдв ослабляется в соответствии с настройкой быстродействия контура возбуждения. Расчетные значения коэффициентов составили: К1=0,2; у=0,45; 7^ = 1 с.
Механические характеристики электропривода тяги экскаватора при традиционной (1) и предлагаемой (2) системе управления представлены на рис. 2.
Расчет мощности приводного двигателя при формировании механических характеристик, представленных выше, для статического режима нагружения привода тяги показаны на рис. 3. Мощность приводного двигателя определялась по выражению
Р = М • ш
дв дв дв
где Мдв - момент на валу двигателя; ^дв - скорость двигателя в относительных единицах.
Машиностроение и машиноведение
v
Фосл
Ki
K1v ЗО3
1/(Tk.B.S+1)
Ф
дв
{+
ЗО2 ЗО1
w
дв
Фном
Рис. 1. Контур управления потоком двигателя
w, о. е.
0,5
0
1
2 M, о. е.
Рис. 2. Механические характеристики электропривода тяги шагающего экскаватора
Рис. 3. Мощность двигателя электропривода тяги шагающего экскаватора с традиционной (1)
и предлагаемой (2) системами управления
1
Из рис. 3 видно, что при управлении магнитным полем двигателя происходит ограничение мощности двигателя Рдв на уровне номинального значения (кривая 2, 8-я секунда моделирования).
Были проведены исследования динамических характеристик двигателя, редуктора и рабочего органа экскаватора в режиме стопорения при скорости двигателя 0,5мдвном и 0,7мдвном. Нагрузке на рабочем органе задавалась Мс = 1,3 • Мном при моменте стопорения Мстоп = 2Мном. Результаты моделирования получены для традиционной и предлагаемой систем управления электроприводом тяги экскаватора ЭШ 20.90. Регистрируемые величины измерялись в относительных единицах (приведены к номинальным значениям мощности и момента двигателя). Полученные результаты исследований позволили сделать следующие выводы:
В традиционной системе управления максимальный момент двигателя составляет 2,4-2,5Мном и практически не зависит от скорости привода, предшествующей стопорению. Величина интегральной нагрузки составляет 1,47 и 2,04Мном для заданной скорости привода 0,5 и 0,7^ном соответственно. С использованием предлагаемой системы управления максимальный момент двигателя не превышает значения 2,15Мном, а интегральная нагрузка снижается по сравнению с традиционной на 36 и 58% соответственно.
Максимальная нагрузка на валу-шестерне редуктора при традиционном управлении для двух скоростей привода составляет 3,26 и 3,35Мном. Интегральные показатели нагрузки на валу-шестерне зависят от начальной скорости, предшествующей стопорению, и равны 1,8 и 2,6Мном. Предлагаемая система управления снижает максимальную нагрузку на валу-шестерне на 16 и 13%, интегральную - на 25 и 53% при заданной скорости привода 0,5 и 0,7^ном соответственно.
Величина максимальной нагрузки на рабочем органе зависит от скорости привода предшествующей стопорению и равна 3,38 и 3,5Мном для 0,5 и 0,7^ном соответ-
ственно. Интегральная нагрузка составила 1,89 и 2,72Мном. При формировании механических характеристик по предлагаемому способу максимальная нагрузка снижается на 17 и 13%, интегральная - на 26 и 52% соответственно.
Величина мощности на двигателе, валу-шестерне и рабочем органе в режимах стопорения при заданной скорости привода 0,5 и 0,7^ном составляет 0,53-0,6; 0,5-0,58 и 0,54-0,7 соответственно. При реализации предлагаемой системы управления мощность на двигателе и валу-шестерне ограничивается на 10 и 52%, а на рабочем органе - на 70% в рассматриваемых режимах.
Значение интегральной мощности на двигателе, валу-шестерне и рабочем органе в предлагаемой системе управления значительно снижается. При этом на двигателе и валу-шестерне - более чем в половину, а на рабочем органе становится минимальным.
Время остановки привода при жестком стопорении ковша с использованием традиционной системы управления составляет 0,9-1 с, в то время как в предлагаемой системе управления время стопорения не превышает 0,6 с, что объясняется меньшей скоростью электропривода перед стопоре-нием.
Исследования показывают, что применение системы управления с датчиком усилия и регулированием магнитного потока двигателя позволяет значительно снизить нагрузки на двигателе, в трансмиссии и на ковше, а также ограничить время воздействия максимальной нагрузки на механизмы привода тяги, добиваясь минимально возможного времени стопорения привода. Это увеличивает ресурс механического оборудования привода тяги и позволяет работать в сложных горнотехнических условиях с частыми стопорениями рабочего органа, исключая возможность появления аварийных перегрузок.
Предложенная система управления более интенсивно снижает скорость привода, что приводит к увеличению времени заполнения ковша. Было необходимо оце-
нить продолжительность рабочего цикла экскаватора при предлагаемой системе управления. Сравнивался путь, пройденный ковшом при предлагаемой и традиционной системах управления в процессе наполнения. Исследования проводились при настройке быстродействия контура возбуждения двигателя Ткв. = 1 с, измерялся путь, пройденный ковшом при скоростях привода: 0,5^ом и 0,7^ом ■
Скорость привода (измерялась в относительных единицах) при указанном режиме нагружения представлена на рис. 4. Путь ковша измерялся интегрированием скорости рабочего органа в интервале времени от начала нагружения до полной остановки привода.
Следует отметить, что с увеличением нагрузки до момента (тока) отсечки снижение скорости происходит незначительно. Время £стоп. и путь, пройденный ковшом 1к от начала нагружения ^ = 3 с) до полной остановки привода, для традиционной (тр) и предлагаемой (пр) систем управления представлены в таблице.
Расстояние, пройденное ковшом при
использовании предлагаемой системы управления, меньше, чем при традиционной на 10% при 0,5-мном и на 19% при 0,7 • шном. Следовательно, происходит увеличение времени заполнения ковша.
Сравнивая путь, пройденный ковшом при нагрузке Мс = 1,5 • Мном и времени копания 20 с для стандартного и предлагаемого способов управления, получим разницу в 25%. В предлагаемой системе управления при указанной нагрузке средняя скорость ковша составляет уковша = 0,73 м/с. Если принять допущение, что по достижении времени 20 с при традиционной системе управления приводом тяги ковш наполнен, то для завершения цикла копания при предлагаемой системе управления понадобится еще 3-5 с. В предлагаемой системе управления рабочий цикл наполнения ковша экскаватора составит 23-25 с. Произойдет увеличение времени заполнения ковша на 8-25%. Общее время цикла машины при этом составит 65 сек и по сравнению со стандартным циклом равным 60 с, т. е. увеличится на 8%.
Рис. 4. Скорость привода в статическом режиме нагружения при «зад = 0,5«н 1 - традиционная; 2 - предлагаемая система управления
Время остановки и путь, пройденный ковшом в статическом режиме нагружения
^Зад, О. е. ^стоп.тр^стоп.пр, сек ^к.тр^к.пр, м
0,5 • ^ном 15,85 / 15,4 12,75 / 11,47
0,7 • ^ном 16,7 / 15,3 19,7 / 16,12
Регулирование момента привода тяги в предлагаемой системе управления осуществляется посредством управления магнитным потоком двигателя. В соответствии с выражениями мощности двигателя и развиваемого им момента при ослаблении магнитного поля двигателя будет происходить рост тока в якорной цепи, что особенно заметно в динамических режимах (пуск и стопорение). Величина тока зависит от настройки быстродействия контура возбуждения двигателя: чем больше постоянная времени контура возбуждения двигателя Ткв., тем меньше величина динамической нагрузки на рабочем органе. Одновременно с увеличением значения Ткв. возрастает ток в якорной цепи, достигая в режимах стопорения недопустимых значений. В связи с этим необходимо найти компромиссную величину быстродействия контура возбуждения, что позволит снизить динамические нагрузки в трансмиссии и на рабочем органе и не допустить превышения тока якорной цепи предельного значения. В результате проверки величин Ткв. в диапазоне от 0,3 до 2 с, было определено компромиссное решение - Ткв. = 1 с. Такое быстродействие контура позволяет снизить динамические нагрузки в приводе и под-
Библиогра
1. Иов И.А. Исследование надежности редукторов шагающих экскаваторов ЭШ 20.90 // Вестник ИрГТУ. 2014. № 5 (88). С. 29-33.
2. Иов И.А., Сорокин А.В., Леоненко А.С. Снижение уровня динамических нагрузок в элементах редуктора привода тяги экскаваторов-драглайнов // Вестник ИрГТУ. 2014. № 8 (91). С. 22-26.
3. Пат. № 2255184, Россия, МКИ Е 02 F9/20, H 02 P 5/00. Способ управления электроприводом
держивать скорость механизма тяги на уровне, обеспечивающем достаточную производительность привода. Величина тока якорной цепи в этом случае не превышает значений 1,2-1,25 • 1стоп, при этом ослабление магнитного потока двигателя допускается не более чем до 0,5 • сФном.
Предлагаемая система управления обеспечивает снижение максимальных динамических нагрузок в трансмиссии и на ковше при стопорении механизма, сокращает время стопорения, и, следовательно, длительность воздействия нагрузки на элементы механизма тяги. Падение производительности экскаватора должно компенсироваться увеличением межремонтных сроков и снижением времени аварийных простоев, связанных с отказами элементов привода тяги. Данная система управления электроприводом экскаватора должна использоваться при работе в тяжелых условиях: при разработке плохо подготовленных, повторно смерзшихся после взрыва в зимнее время года и скальных пород; при зачистке подошвы забоя, когда вероятны внезапные стопорения ковша со значительными перегрузками в механической части электропривода тяги.
Статья поступила 08.04.2015 г.
чий список
постоянного тока одноковшового экскаватора и устройство для его осуществления / С.С. Леоненко, А.В. Сорокин [и др.]. № 2004114678/03; Заявл. 13.05.2004; опубл. 27.06.2005. Бюл. № 18.
4. Волков Д.П. Динамика и прочность одноковшовых экскаваторов. М.: Машиностроение, 1965. 422 с.
5. Ключев В.И. Ограничение динамических нагрузок электропривода. М.: Энергия, 1971. 320 с.
