CC BY
0
2023 Электротехника, информационные технологии, системы управления № 48 Научная статья
Б01: 10.15593/2224-9397/2023.4.09 УДК 621.313:62-83
К.А. Конев1,2, А.Г. Смыков1, Е.А. Чабанов1, Д.А. Опарин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ, Пермь, Российская Федерация
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ «КОПЕР»
В сфере строительства постоянно ведутся работы по сооружению зданий, спроектированных под различные задачи жилого и промышленного сектора, сферы торговли, транспорта и т.д. Основой любого строительного объекта является фундамент, который может быть разного типа, в частности свайным. Сваи обеспечивают превосходную устойчивость на различных грунтах. Широкое распространение для забивания свай получила строительная машина «Копер», имеющая различные системы приводов. Каждый тип строительной машины «Копер» предназначен для определенных технико-экономических условий и имеет свои недостатки и преимущества. В статье исследуется возможность применения нестандартной системы управления приводом строительной машины «Копер» и оценивается целесообразность ее использования. Цель исследований: расчет и проектирование цилиндрического линейного вентильного двигателя, устанавливаемого на мачте строительной машины «Копер», который предлагается использовать в качестве электропривода отбойного молота для забивания свай в землю. Методы: по результатам сравнительного анализа всех видов строительных машин «Копер» производится расчет цилиндрического линейного вентильного двигателя с использованием среды Ма^САй, а также модернизированного расчета для обеспечения необходимого тягового усилия. Результаты: выполнен расчет необходимого тягового усилия цилиндрического линейного вентильного двигателя с постоянными магнитами, представлен эскиз электродвигателя, расположенного на мачте строительной машины «Копер». Разработана система управления электродвигателя. Практическая значимость: предложенная система электропривода полностью исключает все недостатки типовых строительных машин «Копер». Тяговое усилие, которое необходимо для поднятия молота, достигается при уменьшении массы молота и его металлоёмкости. При этом исключается потребность в механизмах, которые играют ключевую роль в работе типовых строительных машин. ПредставленБ система управления электропривода машины и алгоритм ее нормальной работы при забивании свай и в аварийном режиме.
Ключевые слова: цилиндрический линейный вентильный электродвигатель, система привода, копер, тяговое усилие, проектирование.
K.A. Konev1,2, A.G. Smykov1, E.A. Chabanov1, D.A. Oparin
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation 2OOO LUKOIL-PERM, Perm, Russian Federation
DEVELOPMENT OF ELECTRIC DRIVE SYSTEM FOR CONSTRUCTION MACHINE "PILE DRIVER"
In the construction industry, work is constantly underway to construct buildings designed for various purposes in the residential and industrial sectors, trade, transport, etc. The basis of any construction project is the foundation, which can be of different types, in particular, pile. The piles provide excellent stability on a variety of soils. The pile driver construction machine, which has various drive systems, is widely used for driving piles. Each type of pile driver construction machine is designed for certain technical and economic conditions and has its own disadvantages and advantages. The article examines the possibility of using a non-standard drive control system for the pile driver construction machine and evaluates the feasibility of its use. Purpose of the research: calculation and design of a cylindrical linear valve motor installed on the mast of the pile driver construction machine, which is proposed to be used as an electric drive for a jackhammer for driving piles into the ground. Methods: based on the results of a comparative analysis of all types of pile driver construction machines, a cylindrical linear valve motor is calculated using the MathCAD environment, as well as a modernized calculation to ensure the required traction force. Results: the calculation of the required traction force of a cylindrical linear valve motor with permanent magnets has been carried out, and a sketch of the electric motor located on the mast of the pile driver construction machine is presented. An electric motor control system has been developed. Practical significance: the proposed electric drive system completely eliminates all the disadvantages of standard pile driver construction machines. The traction force required to lift the hammer is achieved by reducing the weight of the hammer and its metal content. This eliminates the need for mechanisms that play a key role in the operation of standard construction machines. The control system for the electric drive of the machine and the algorithm for its normal operation when driving piles and in emergency mode are presented.
Keywords: cylindrical linear valve motor, drive system, copter, traction force, design.
Введение
Оборудование, создаваемое по новым технологиям, эффективно и качественно заменяет старые устройства и агрегаты. В городах с большой и малой численностью населения регулярно ведется строительство жилых домов, развлекательных центров, предприятий и т.д. Основой при строительстве зданий является фундамент. На фундамент ложится огромная нагрузка в виде стен, бетонных плит, крыши. Поэтому фундамент, в свою очередь, должен быть прочным, крепким и выдерживать большие нагрузки. Довольно распространен свайный фундамент, при установке которого используются железобетонные сваи. Свая - это конструкция, передающая нагрузку на другое основание. Сваи забиваются на глубину от 3 до 10 м, значительно ниже глубины промерзания грунта. Выполняется это в связи с тем, что происходит движение грунта. На глубине свыше 0,5 м начинается глинистое
основание. Глина состоит из 30-35 % из воды, поэтому почва с высоким содержанием глины может высыхать в результате того, что близлежащая растительность истощает воду, особенно в теченине жаркого лета, или же наполняться водой в связи с весенними паводками и движением грунтовых вод. Объем грунта может увеличиваться и уменьшаться, поэтому фундаменты здания проседают. Устанавливаются сваи различными методами: свайно-винтовым, свайно-буронабивным, свайно-железобетонным. Наиболее часто используемый метод - это свайно-железобетонный. В данном методе при меньшей площади поперечного сечения и сопоставимой глубине погружения несущая способность забивных свай в 2-3 раза выше, чем буровых и винтовых. Фундамент на данных сваях стоит от 100 до 120 лет, при этом он экономически выгоднее, чем на других типах свай. Сваи такого типа устанавливаются с помощью установки «Копер» - строительной машины, предназначенной для забивания свай. «Копер» существует следующих типов: дизельный, вибропогружной и гидравлический.
Известно, что КПД электрических машин намного выше КПД двигателей внутреннего сгорания. В связи с этим исследуется возможность использования линейного электродвигателя нетрадиционной конструкции в вышеуказанном агрегате.
Целью исследования являются расчет и проектирование цилиндрического линейного вентильного электродвигателя с постоянными магнитами (ЦЛВД), который предлагается использовать в качестве электропривода отбойного молота для забивания свай в землю.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Обоснование рациональности использования ЦЛВД в качестве электропривода отбойного молота для создания необходимой ударной силы.
2. Разработка требований к ЦЛВД для обеспечения необходимой ударной силы в отбойном молоте.
3. Модернизация методики расчета ЦЛВД и его проектирование на мачте для электропривода «Копра».
Виды строительной машины «Копер»
Вибропогружной тип. Погружение сваи в грунт осуществляется с помощью направленных вдоль оси колебаний определенной частоты и амплитуды. Составными частями данного типа являются электродви-
гатель вращательного движения, вибровозбудитель и наголовник (рис. 1). В качестве вибровозбудителя используют вибраторы направленного действия с четным количеством горизонтально расположенных параллельных валов с дебалансами, синхронно вращающимися в различных направлениях.
Рис. 1. Вибропогружатель: 1 - электродвигатель, 2 - направляющий ролик,
3 - корпус, 4 - зубчатые передачи, 5 - наголовник, 6 - дебалансы, 7 - вал, 8 - синхронизирующие цилиндрические шестерни
Принцип действия следующий: в корпусе вибровозбудителя вращаются дебалансовые валы с дебалансами. Движение передается от сверху установленного электродвигателя, жестко закрепленного на корпусе через промежуточные шестерни и систему синхронизирующих цилиндрических шестерен, закрепленных на валах.
Достоинствами данного вида являются:
- высокая экономичность;
- энергоемкость, использование электрической энергии обходится дешевле, чем использование других типов погружения свай;
- высокая скорость погружения свай;
- отсутствие загрязнения окружающей среды;
- возможность регулировки амплитуды ударных действий;
Недостатками данного типа являются:
- погружение свай осуществляется на небольшую глубину;
- осуществляется погружение только в песчаные и супесчаные водонасыщенные грунты.
Гидравлически тип. Для работы гидравлического типа подключают гидравлическую станцию для создания давления. При включении открывается клапан и насос начинает закачивать в цилиндр масло (рис. 2). Давление масла становится больше, чем давление в азотной камере, поэтому поршень стремится вверх. Когда он достигнет верхнего положения, закрывается золотник, по которому поступает масло. Далее открывается сливной клапан и масло утекает в магистраль гидросистемы, тем самым повышая давление азота и выталкивание поршня в нижнее положение, совершая удар о сваю.
Достоинства данного вида:
- высокая скорость погружения свай;
- отсутствие загрязнения окружающей среды;
- возможность регулировки амплитуды ударных действий;
- высокая глубина забивания свай. Недостатками данного вида:
- для осуществления давления необходима гидравлическая станция;
- высокая стоимость гидромолота;
Гидравлический тип более часто используется для установки столбов для ограждения территории, хотя есть и машины больших
3
Управляющий клапан
Рис. 2. Гидромолот
размеров для забивания железно-трубчатых свай, поэтому данный тип тоже рассмотрен.
Дизельный тип. Отбойный молот, нанося постоянные удары об сваю, углубляет ее в грунт, совершая возвратно-поступательные движения, это есть ударная часть механизма строительной машины «Копер» (рис. 3) [1]. Отбойный молот расположен в полости, в цилиндре и представляет собой поршень, как в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания. Цилиндр крепко закреплен на мачте строительной машины «Копер» для того, чтобы не потерять соосность, направляющую для предотвращения отказов.
Принцип работы дизель-молота схож с двигателем внутреннего сгорания. Для того чтобы воспламенить дизель, необходимы высокое давление и некое количество кислорода. Данная смесь под сжатие поршня воспламеняется и выталкивает поршень в обратное направление. Но для того чтобы начать сжатие газов, необходимо поднять поршень с помощью лебедки в верхнюю точку и произвести расцепление. После чего во время движения поршня вертикально вниз происходит впрыск дизеля с помощью топливного насоса (положение II) и закрываются всасывающие патрубки кислорода. После чего происходит воспламенение жидкости, поршень бьет о шабот, передавая импульс на сваю, погружая ее в грунт (положение III).
Рис. 3. Последовательность работы дизель молота: 1 - шабот; 2 - всасывающий выхлопной патрубок; 3 - направляющая труба; 4 - поршень; 5 - «кошка»; 6 - канат лебедки копра; 7 - приводной рычаг; 8 - топливный насос; 9 - рабочий цилиндр; 10 - бачок для воды; 1-1У - положения дизель-молота в процессе работы [2]
Энергия, возникшая в процессе смешивания дизеля и кислорода под высоким давлением, распределяется в двух направлениях. Одна часть направлена на дополнительное усилие поршню, а другая часть направлена на подброс молота в верхнее положение на высоту до трех метров.
Данный тип достигается погружением сваи совместно двух воздействий: с помощью поршня - механического и газового с помощью воспламеняющихся газов. Это один из факторов, почему данный вид строительной машины «Копер» наиболее часто и эффективно используются в настоящее время при строительстве. Когда происходит подбрасывание молота в верхнее положение (положение IV), происходит выбрасывание сгоревших газов в камере в окружающую среду, в это же время открываются и всасывающие клапаны для забора кислорода и продолжения смешивания смеси для воспламенения. После чего процесс продолжается, пока свая не достигнет нужной глубины.
Преимуществами данного типа являются:
- высокая глубина погружения свай в породу земли;
- высокая производительность;
- надежная и простая конструкция;
- экономичность;
- забивание свай в сложных грунтовых породах;
Недостатками данного типа являются:
- загрязнение окружающей среды;
- невозможность регулирования частоты ударов.
В жизни для строительства наиболее часто используемым типом является дизель-молот из-за своих преимуществ, указанных выше. Анализируя недостатки и преимущества каждого типа, видно, что, действительно, наиболее эффективным является дизель-молот, несмотря на свои недостатки.
Предложения для строительной машины «Копер» с разными ЭД
Как известно, в настоящее время для осуществления работы различных механизмов применяются асинхронные двигателя, которые известны своей простотой конструкции и дешевизной [2, 3]. Отбойный молот при забивании свай совершает возвратно-поступательное движение. Осуществление данного движения можно осуществить как при помощи электродвигателя вращательного движения, так и двигателя линейного движения. Рассмотрим оба варианта использования.
Возвратно-поступательное движение при использовании электродвигателя вращательного движения осуществляется при помощи механической передачи и шкива. Обычно для осуществления такого движения применяют качающийся подшипник, который приводит в движении поршень, создавая поступательное движение. При применении данного метода сразу можно указать, что КПД установки уменьшится, вырастет металлоёмкость, и это станет узким местом в отбойном молоте. Рассмотрим осуществление возвратно-поступательного движения с помощью линейного двигателя.
Линейные электродвигатели - это электрические машины, совершающие поступательное движение без каких-либо дополнительных передаточных передач. Существуют различные типы подобных электрических машин, а именно:
- асинхронные линейные двигатели;
- синхронные линейные двигатели;
- вентильные линейные двигатели;
Рассмотрим каждый линейный двигатель по принципув его действия, проанализируем и сделаем вывод, какой ЭД наиболее подходящий в нашем случае. Цилиндрический асинхронный линейный двигатель (ЦЛАД) может быть получен при сворачивании линейного двигателя в цилиндр (рис. 4, а, б) [4].
Виды линейных цилиндрических двигателей
а
б
Рис. 4. ЦЛАД: а - продольный разрез; б - вид сбоку [5]
а
б
в
Рис. 5. Элементы конструкции ЦЛАД: а, б - шайба; в - магнитопровод двигателя [5]
Катушки в виде колец образуют обмотку индуктора. Шайбы, изготовленные из стали, в которых сделаны надрезы, стыкуются и образуют магнитопровод индуктора (рис. 5) [4].
Основными частями, как и всех электродвигателей, являются ротор и статор. Статор (индуктор) в данном двигателе представляет собой цилиндр, наполненный магнитопроводом, выполненным из электротехнической стали, в котором уложена трехфазная обмотка (рис. 6).
Рис. 6. Основные части ЦЛВД и их обозначения: 1 - корпус ЦЛВД; 2 - индуктор; 3 - вторичный элемент
Ротором (вторичный элемент) является полый цилиндр, на который надеваются постоянные магниты (рис. 7).
Немагнитная труба (титан)
Рис. 7. Расположение обмотки и постоянных магнитов
Постоянные магниты обладают большим магнитным свойством и коэрцитивной силой, обычно используют сплав МБеВ или же, как их называют, неодимовые магниты. Взаимодействие магнитного поля, созданного катушкой и постоянным магнитным полем магнитов, создает возвратно-поступательное движение.ЦЛВД - электродвигатель, который полностью копирует конструкцию ЦЛСД. В данном электродвигателе также выполнены главные составляющие: индуктор и вторичный элемент. Также уложены катушки в пазах магнитопровода и расположены магниты на штоке. Создается идентичное магнитное поле. Единственным отличием ЦЛВД является то, что фиксируется положение вторичного элемента с помощью датчиков положения, и переключение обмоток происходит в зависимости от расположения магнитов вторичного элемента с помощью ключей на ПЧ, выполненного на базе транзисторов. По краям активной части индуктора расположены подшипники, в которых лежит вторичный элемент.
Сделаем вывод, что линейный электродвигатель сможет эффективно и качественно заменить дизель-молот в строительной машине «Копер», при этом полностью исключить недостатки дизель-молота.
Наиболее эффективным цилиндрическим линейным двигателем будет являться вентильный электродвигатель. Согласно исследованиям [5, 6], известно, что тяговое усилие у ЦЛВД выше, чем у ЦЛАД. При этом, если же достигать нужного усилия, как у ЦЛВД, необходимо менять конструкцию ЦЛАД, изменять толщину медного покрытия вторичного элемента. Также тяговое усилие в ЦЛАД зависит от скольжения и достигается в диапазоне от 0,893 до 0,986, что является недостатком. При таких больших скольжениях значительно увеличиваются электрические потери во вторичном элементе, которые пропорциональны скольжению, вследствие этого снижается КПД электродвигателя в целом.
Рассмотрим ЦЛСД. Отличительным признаком ЦЛСД от ЦЛВД является то, что в ЦЛВД установлены датчики положения, для того чтобы изменять направление магнитного поля и вторичный элемент не выпал из статора. ЦЛВД в данном случае обладает преимуществом по сравнению ЦЛСД.
Исходя проведенной аналитики, сделаем вывод, что ЦЛВД наиболее подходящий и эффективный электродвигатель для системы привода копра, рассмотренного в данной статье, поэтому далее рассмот-
рим принцип действия, выдвинем требования к двигателю, проведем расчет и проектирование ЦЛВД в новой системе привода.
Принцип действия строительной машины «Копер» с ЦЛВД
Принцип действия остается тот же, как и у двигателя внутреннего сгорания, только при этом исключаются некоторые составляющие строительной машины «Копер», такие как поршень, всасывающий патрубок, кошка, приводной рычаг, топливный насос, система смазывания, топливный бачок и бачок для воды. В начальный момент работы вторичный элемент будет расположен внизу устройства. При подаче напряжения на обмотку статора вторичный элемент начнет движение в верхнюю точку направляющей трубки. После достижения верхней точки строительной машины «Копер», магнитное поле меняет свое направление на противоположное и вторичный элемент устремится вниз. При достижении удара о шабот импульс передастся на сваю, тем самым погружая ее в грунт. После чего происходит переключение магнитного поля, и вторичный элемент устремляется вверх. Затем цикл повторяется до полного погружения сваи.
Переключение магнитного поля происходит за счет переключения фаз обмотки. Когда вторичный элемент достигает верхнего положения, включается один из датчиков, находящийся на конце индуктора, он передает сигнал станции управления, которая переключает фазы, когда же слайдер достигает другого конечного положение, магнитное поле снова переключается. Для реализации данного принципа действия выдвинем требования к ЦЛВД.
Требования к ЦЛВД при эксплуатации в отбойном-молоте
Основной задачей для электродвигателя является беспрерывное поднятие молота в верхнюю точку мачты строительной машины «Копер». Для обеспечения максимально возможной ударной силы молота, были сформированы основные требования к ЦЛВД, которые должны быть учтены для нормальной работы строительной машины «Копер»:
1. Масса молота достигает до 3500 кг, поэтому необходимое тяговое усилие должно достигать данного значения.
2. Амплитуда и частота ударов должны легко и просто регулироваться.
3. Перемещение должно осуществляться без торможения.
4. Электродвигатель должен остановиться при достижении сваи нужной глубины погружения.
При соблюдении данных требований предложенная система привода строительной машины «Копер» будет усовершенствована и исключены недостатки рассматриваемого типа.
Расчет тягового усилия ЦЛВД
Для расчета тягового усилия ЦЛВД были использованы исходные данные, представленные в табл. 1 [7, 8].
Таблица 1
Исходные данные принятые при расчете тягового усилия
Обозначения Ед. изм. Значения Название параметра
Бр м 0,055 Диаметр вторичного элемента
I А 30 Действующее значение тока, протекающего по
обмоткам индуктора
Н А/м 680000 Напряженность магнитного поля
В Тл 1,1 Магнитная индукция в воздушном зазоре
х м 0,03 Полюсное деление
5 м 0,0015 Ширина немагнитного зазора
Ь м 0,015 Ширина полюса
Wк 60 Число витков катушки в пазу
и м 0,02 Зубцовое деление индуктора
Р 16 Число пар полюсов
Бм м 0,047 Внешний диаметр реального магнита ЦЛВД
dм м 0,022 Внутренний диаметр реального магнита ЦЛВД
К м 0,008 Ширина реального магнита ЦЛВД
Цо о.е. 12,5610-7 Магнитная проницаемость
Тяговое усилие модуля ЦЛВД найдем по закону Ампера [9]:
¥ =а-п-1 ■В -Б-! (1)
1 эм а 1 л Вг Б ! мод. (1)
где Б - диаметр ротора с учетом воздушного зазора, Б = Бр + 5; 1мод - длина активной части модуля индуктора ЦЛВД, /мод = 2рх; а - коэффициент полюсного деления, а = Ь/х; 1л - линейная токовая нагрузка, находится по формуле:
г К' I
1л =-Г". (2)
В данной формулировке закона Ампера все параметры, кроме магнитной индукции, известны.
Магнитная индукция в воздушном зазоре заменяется ее средним значением и после преобразований будет определяться по формуле [9]:
=_Н
4 Ь ' ^ ' ±± П ^
Вср 4Ь ■ В ■ Н0 25 ' (3)
-^г +-
В2 (Вм + йм )2 Ц0 ■ К
где В - магнитная индукция постоянных магнитов, установленных на вторичном элементе [9].
Задавая I в диапазоне от 5 до 35 А, определим тяговое усилие, действующее на вторичный элемент ЦЛВД. Результат вычислений представлен в табл. 2 и на рис. 8.
Таблица 2
Значения тягового усилия ЦЛВД в зависимости от I
I, А 5 10 15 20 25 30 35
1 Н 1 ЗЫ5 Н 1881 3762 5642 7523 9404 11280 13170
1м, кГс 191,938 383,877 575,714 767,653 959,591 1151,020 1343,877
Рис. 8. Зависимость тягового усилия 1эм от действующего значения тока обмотки индуктора I
Расчет показывает, что при токе, равном 35 А, тяговое усилие достигает 13170 Н или же 1343,877 кГс. Чтобы достичь нужного тягового усилия для подъема молота, увеличим длину активной части дви-
гателя до 3 м, после же получим тяговое усилие, равное 39510 Н или же 4031,16 кГс, что является нужным усилием для поднятия молота.
Расстояние от верхней точки вторичного элемента до начала активной части индуктора будет равно 0,5 м, длина активной части индуктора равна 3 м и расстояние от конца индуктора до молота равно 2 м. Итого длина электродвигателя составляет 5,5 м, когда длина мачты у традиционных копров составляет более 25 м, а длина сваи от 8 до 12 м.
Система управления для ЦЛВД
Управление скоростью и частотой ударов будет выполняться с помощью преобразователя частоты (ПЧ) в диапазоне 0,5-10 Гц (рис. 9). Ограничение по частоте в 10 Гц связано с тем, что с увеличением частоты характеристики двигателя ухудшаются в связи с тем, что чашки индуктора, куда укладываются обмотки, выполнены сплошным металлом, а не шихтованными. Если выполнять чашки шихтованными, то изменится технология изготовления, и стоимость на изготовление станет дороже. Вследствие чего было принято решение оставить чашки сплошными и ограничить частоту до 10 Гц. Чтобы обнаружить, нагревается ли обмотка индуктора, будет установлен датчик температуры, для установки положения, будет установлен датчик положения.
Рис. 9. Функциональная схема управления модулем ЦЛВД
В начале рабочего цикла слайдер находится в нижнем положении, об этом сигнализирует датчик положения. Электродвигатель эксплуатируется, как изложено было выше, на частоте от 0,5 до 10 Гц, задаваемых через ПК. За полный период вторичный элемент совершает один удар, это поднятие молота в верхнее положение и спуск до удара о сваю, т. е. в нулевое положение. Вторичный элемент, находясь в нулевом положении, не заканчивает свою работу, поскольку ДП посыла-
ет сигнал на продолжение работы до полного погружения сваи. Основной функцией ДП является контроль нормальной работы электродвигателя в каждом цикле. Если не контролировать положение двигателя, то возникает ряд поломок как самой машины, так и строительного материала. Одной из них является разрушение сваи. При неработающем датчике система подает сигнал оператору о наличии неисправности. В таком случае эксплуатировать строительную машину «Копер» не рекомендуется.
Данные, которые использовались для системы управления в режиме поступательного движения: N - число двоичных ходов;
Ь - длина хода вторичного элемента в одну сторону; ©доп - допустимая температура обмотки индуктора; Я1 - сопротивление фазы обмотки статора;
Параметры, которые задаются для ПЧ, были получены с помощью следующих уравнений:
Скорость электромагнитного поля равно скорости вторичного элемента:
V = 2т • /, (4)
где - полюсное деление, - частота питающего напряжения. Фазное напряжение двигателя определяется по формуле:
и = 1 + АИ • (5)
где Я1 - сопротивление фазы обмотки индуктора, I - фазный ток индуктора, - добавка напряжения на один герц частоты.
Скорость вторичного элемента за двойной ход вычисляется из данных для линейных перемещений рабочего органа.
2Ь-Ы
у = — (6)
Суммарное время цикла определяется количеством циклов:
60
7 = ¥' (7)
Расчетная величина сопротивления фазной обмотки:
Яф = "А С 8)
' изм
В частотном преобразователе есть такие функции, как измерение мощности, напряжения, тока и частоты, поэтому, исходя из этих параметров, сопротивление фазной обмотки определяется просто.
Осуществление измерения обмотки происходит следующим образом. Измеряется температура обмотки до начала работы двигателя и измеряется по истечению одного цикла удара об сваю. Исходя из этого, температура обмотки определяется следующим образом:
йг (2 7 3 + и) гг= - 2 73, (9)
где Лг - горячее сопротивление обмотки; ^ - температура обмотки перед началом работы;
Во время работы электродвигателя, естественно, будет возрастать температура обмотки, поэтому за ней необходимо следить или услышать сигнализацию о некорректной работе двигателя, за которой должен следить машинист «Копра». Рассмотрим далее алгоритм работы системы управления.
Алгоритм работы
Из блок-схемы видно, что в блоке № 1 оператор задает данные для выполнения работы электродвигателя (рис. 10). В блоке № 2 происходит вычисление необходимых величин по формулам, указанным выше. Далее во время эксплуатации с помощью датчика температуры обмоток будут осуществляться замер температуры обмотки и сравнение ее с допустимой величиной, при которой электродвигатель будет работать в штатном режиме. Если же температура превысит значение, то подается команда на останов двигателя, и работы прекращаются. Весь этот процесс происходит в блоке № 3.
С увеличением скорости, растет и питающая частота напряжения, вычисляется это по формуле:
/ъ = (Ю)
В блоке № 4 осуществляются разгон и сравнение время разгона двигателя и достигается максимальное значение. После чего происходят удар и останов электродвигателя в блоке № 6. Торможение двигателя осуществляется в пределах времени(0,5Г - ¿2) < I < 0,5Г. При этом частота напряжения снижается по закону:
Гт =
/шах * (0,5Т - О
(И)
Задание исходных-параметров:
ЦЩфДо,^
Вычисление необходимых параметров:
Уср мах,Т.
17
|_
[8
Реверсирование поля
--
Разгон двигателя: махЧ/Ъы ил=2«Я1«11+№
( Стоп )
Рис. 10. Блок схема управления вторичным элементом в модуле ЦЛВД
После чего происходит команда на переключение обмоток, включение электромагнитного поля в обратном направлении (блок № 7) в момент времени I = 0,5 Г, вторичный элемент начинает движение в верхнюю точку «Копра», чтобы вновь совершить удар о сваю. Во время движения в верхнее положение происходят те же процессы, что
и при спуске молота в нижнее положение (блоки № 8, 9, 10). После того как закончится полный цикл, происходит сравнение температуры обмотки индуктора.
Чтобы прекратить работу электродвигателя, необходимо включить команду стоп блок № 11, или же в этом же блоке происходит реверсирование поля для дальнейшей работы. Описанный процесс эксплуатации ЦЛВД при помощи станции управления представлен в блок-схеме ниже для полной наглядности работы процесса.
Главным отличием является то, что при спуске вторичного элемента время падения будет меньше, чем время поднятия молота в верхнюю точку, так как с помощью данной конструкции мы сможем ускорить вторичный элемент, предав ударную силу больше.
Регулировка частоты ударов
С помощью регулировки частоты ударов можно уменьшить время работы забивания свай, предотвратить разрушение свай и наиболее эффективно работать на разных грунтах, совершать погружение различного сечения свай.
Произведем расчет полезной мощности и скорости вторичного элемента на разных частотах. При расчете полезной мощности были получены значения с шагом 2 Гц в диапазоне от 1 до 10 Гц, представленные в табл. 3 и на рис. 11.
Таблица 3
Зависимость тягового усилия и полезной мощности от частоты
Частота источника I, Ам 5 10 15 20 25 30 35
I = 2, Гц 1 Н 1 зм, Н 1881 3762 5642 7523 9404 11280 13170
Р Вт 1 эм, Вт 225,72 451,44 677,04 902,76 1128 1354 1580
I = 4, Гц 1 Н 1 эм, Н 1881 3762 5642 7523 9404 11280 13170
Р Вт 1 эм, Вт 451,44 902,88 1354 1806 2257 2707 3161
I = 6, Гц 1 Н 1 эм, Н 1881 3762 5642 7523 9404 11280 13170
Р Вт 1 эм, Вт 677,16 1354 2031 2708 3385 4061 4741
I = 8, Гц 1 Н 1 эм, Н 1881 3762 5642 7523 9404 11280 13170
Р Вт Р эм, Вт 902,88 1806 2708 3611 4514 5414 6322
I = 10, Гц 1 Н 1 эм, Н 1881 3762 5642 7523 9404 11280 13170
Р Вт Р эм, Вт 1129 2257 3385 4514 5642 6768 7902
Скорость холостого хода:
и0 = 2т/. (12)
Полезная мощность:
Р2=РЭм-У. ( 1 3 )
Рис. 11. Варьирование полезной мощности Рэм в зависимости от частоты тока в диапазоне от 2 до 10 Гц с шагом 2 Гц
Из полученных характеристик видно, что при изменении частоты, тяговое усилие не возрастает, однако возрастает электромагнитная мощность, скорость электромагнитного поля, а значит и скорость вторичного элемента, что необходимо для регулировки частоты ударов отбойного молота о сваю.
Проектирование ЦЛВД на мачте строительной машины «Копер»
На стационарных «Копрах» дизель - молот расположен на мачте, которая состоит из нескольких секций, что является преимуществом, так как длинна свай бывает различной длины, поэтому чтобы строительная машина «Копер» была универсальной, мачту можно регулировать. На рис. 12 представлен «Копер», спроектированный на базе бульдозера.
Для универсальности предложенной системы привода используем этот же тип мачты, что указан выше. Отличием будет являться то, что индуктор жестко закреплен на короб. Короб крепится на колпачок, который надевается на сваю. Делается это для того, чтобы при погружении сваи индуктор смещался вниз.
Рис. 12. Копровое оборудование: 1 - бульдозер; 2 - блок для установки сваи;
3 - стрела для регулировки направления сваи; 4 - секционная мачта; 5 - шабот;
6 - молот; 7 - блоки для поднятия сваи в вертикальное положение;
8,10 - гидромультипликаторы для подъема молота и сваи; 9 - гидроцилиндр наклона мачты; 11 - монтажное крепление для основания бульдозера;
12 - контргруз для перевешивания
Если же этого не осуществлять, необходимо изготавливать длину вторичного элемента намного больше или же вторичный элемент выпадет из индуктора, что приведет к отказу. Эскиз расположения электродвигателя на мачте изображен выше.
Заключение
Предложен подход к проектированию системы электропривода строительной машины «Копер», исключающий недостатки старых конструкций, в том числе наличие множества составляющих дизель-молота: поршня, всасывающего патрубка, кошки, приводного рычага, топливного насоса, системы смазывания, топливного бачка и бачка для воды. Стоит отметить, что перечисленные составляющие являются узкими местами строительной машины «Копер».
Предлагаемая система электропривода обладает частотным регулированием. Рассчитанное тяговое усилие принимает значение, необходимое для поднятия молота при забивании сваи. Предложенный подход может также применяться для строительных машин «Копер», молот которых превышает массу 4000 кг. Для этого необходимо либо наращивать длину активной части индуктора, либо устанавливать параллельно еще некоторое количество электродвигателей. Одним из главных преимуществ строительной машины «Копер» с цилиндрическим линейным вентильным двигателем является то, что при свободном падении молота возможно ускорить его движение с помощью скорости магнитного поля, направленного вниз. В процессе изготовления данного механизма необходимость в металлоемкости и других материалах уменьшится или полностью исключится.
Таким образом, представленная новая система электропривода на основе ЦЛВД оригинальную конструкцию сможет быть целесообразной и обоснованной заменой традиционной строительной машины «Копер».
Библиографический список
1. Обрудование для погружения свай [Электронный ресурс]. -URL: http://les-collegelik.ru
2. Шулаков Н.В. Электрические машины: конспект лекций.-Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. - 325 с.
3. Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1978. - 832 с.
4. Конев К.А., Фурина А.О., Чабанов Е.А. Замена электрического двигателя в отбойном молотке // InnoTech-2021 - XIII Междунар. науч.-практ. конф.; 15 ноября - 24 декабря 2021 г. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2021.
5. Ключников А.Т., Коротаев А.Д., Шутемов С.В. Моделирование цилиндрического линейного асинхронного двигателя // Электротехника. -2013. - № 11. - С. 14-17.
Klyuchnikov A.T., Korotaev A.D., Shutemov S.V. Modeling of a cylindrical linear AC electronic motor // Russian Electrical Engineering. -2013. - Vol. 84, iss. 11. - P. 606-609.
6. Огарков Е.М., Шутемов С.В., Бурмакин А.М. Определение главных размеров линейных асинхронных электродвигателей с односторонним индуктором // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2014. - № 4. - С. 97-100.
7. Чирков Д.А., Коротаев А.Д., Ключников А.Т. Расчет основных параметров цилиндрического линейного вентильного двигателя по схеме замещения // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике: материалы II Междунар. науч.-техн. конф.; Пермь, 21-22 апреля 2016 г. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2016. -С.144-149.
8. Шулаков Н.В., Шутемов С.В. Метод расчета электромагнитных процессов в цилиндрическом линейном вентильном двигателе // Электротехника. - 2014. - № 11. - С. 18-22.
Shulakov N.V., Shutemov S.V. A method for calculating the electromagnetic processes in a cylindrical linear electronic motor // Russian Electrical Engineering. - 2014. - Vol. 85, no. 11. - P. 663-667. DOI: 10.3103/S1068371214110121
9. Цилиндрический линейный вентильный двигатель для добычи нефти бесштанговым методом / К.А. Конев, А.О. Фурина, А.Д. Коротаев, Е.А. Чабанов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2021. - № 39. -С. 150-168. DOI: 10.15593/2224-9397/2021.3.08
10. Коротаев А.Д., Шулаков Н.В., Шутемов С.В. Экспериментальные исследования цилиндрического линейного вентильного электродвигателя // Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-2014: сб. тр. междунар. науч.-техн. конф.; Екатеринбург, 17-20 марта 2014. - Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2014. - С. 198-200.
11. Цилиндрический линейный вентильный электродвигатель для погружного бесштангового насоса / А.Т. Ключников, А.Д. Коротаев, Н.В. Шулаков, С.В. Шутемов // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике: материалы междунар. науч.-техн. конф.; Пермь, 24-25 сентября 2015. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2015. - С. 158-162.
12. Шулаков Н.В., Шутемов С.В. Применение цилиндрического линейного вентильного двигателя в качестве привода плунжерных нефтедобывающих агрегатов // Автоматизация в электроэнергетике и 109 электротехнике: материалы междунар. науч.-техн. конф.; Пермь 21-22 апреля 2016 г. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. унта, 2016. - С. 161-167.
13. Шулаков Н.В., Шутемов С.В. Перспективы использования цилиндрического линейного вентильного двигателя в качестве при-
вода плунжерных нефтедобычных агрегатов // Фундаментальные исследования. - Пенза: Изд-во Акад. естествознания, 2016. - № 12. -С. 795-799.
14. Шутемов, С.В. Исследование цилиндрического линейного вентильного электродвигателя для погружного бесштангового насоса // Фундаментальные исследования. - Пенза: Изд-во Акад. естествознания, 2016. - № 12. - С. 800-805.
15. Размеры инфо, размеры отбойных молотков [Электронный ресурс]. - URL: http://razmery.info (дата обращения:14.04.2023).
16. Алгоритм управления цилиндрическим линейным вентильным двигателем с постоянными магнитами / А.Д. Коротаев, А.Т. Ключников, С.В. Шутемов, М.С. Байбаков // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике. - 2015. - Т. 1. - С. 184-189.
17. Система управления цилиндрическим линейным вентильным двигателем возвратно-поступательного движения / С.В. Шутемов, М.С. Байбаков, А.Д. Коротаев, А.Т. Ключников // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2015. - № 9. - С. 64-69.
18. Тимашев Э.О., Чирков Д.А., Коротаев А.Д. Рабочие характеристики цилиндрического линейного вентильного двигателя // Электротехника. - 2018. - № 11. - C. 27-31.
Timashev E.O., Chirkov D.A., Korotaev A.D. Operating Characteristics of a Cylindrical Linear Induction Motor // Russian Electrical Engineering. -2018. - Vol. 89, no. 11. - P. 643-647. DOI: 10.3103/S1068371218110135
References
1. Obrudovanie dlia pogruzheniia svai [Equipment for driving piles], URL: http://les-collegelik.ru
2. Shulakov N.V. Elektricheskie mashiny [Electrical machines]. Perm': Permskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet, 2008, 325 p.
3. Vol'dek A.I. Elektricheskie mashiny [Electric cars]. Leningrad: Energiia, 1978, 832 p.
4. Konev K.A., Furina A.O., Chabanov E.A. Zamena elektricheskogo dvigatelia v otboinom molotke [Replacing the electric motor in a jackhammer]. InnoTech-2021 - XIII Mezhdunarodnaia nauchno-prakticheskaia konferentsiia; Perm', 15 November - 24 December 2021. Perm': Permskii natsional'nyi issledovatel'skii politekhnicheskii universitet, 2021.
5. Kliuchnikov A.T., Korotaev A.D., Shutemov S.V. Modelirovanie tsilindricheskogo lineinogo asinkhronnogo dvigatelia [Modeling of a cylindrical linear asynchronous motor]. Elektrotekhnika, 2013, no. 11, pp. 14-17.
Klyuchnikov A.T., Korotaev A.D., Shutemov S.V. Modeling of a cylindrical linear AC electronic motor. Russian Electrical Engineering, 2013, vol. 84, iss. 11, pp. 606-609.
6. Ogarkov E.M., Shutemov S.V., Burmakin A.M. Opredelenie glavnykh razmerov lineinykh asinkhronnykh elektrodvigatelei s odnostoronnim induktorom [Determination of the main dimensions of linear asynchronous electric motors with a one-way inductor]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Elektromekhanika, 2014, no. 4, pp. 97-100.
7. Chirkov D.A., Korotaev A.D., Kliuchnikov A.T. Raschet osnovnykh parametrov tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo dvigatelia po skheme zameshcheniia [Calculation of the main parameters of a cylindrical linear valve motor using an equivalent circuit]. Avtomatizatsiia v elektroenergetike i elektrotekhnike. Materialy II Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii; Perm', 21-22 aprelia 2016. Perm': Permskii natsional'nyi issledovatel'skii politekhnicheskii universitet, 2016, pp. 144-149.
8. Shulakov N.V., Shutemov S.V. Metod rascheta elektromagnitnykh protsessov v tsilindricheskom lineinom ventil'nom dvigatele [Method for calculating electromagnetic processes in a cylindrical linear valve motor]. Elektrotekhnika, 2014, no. 11, pp. 18-22.
Shulakov N.V., Shutemov S.V. A method for calculating the electromagnetic processes in a cylindrical linear electronic motor. Russian Electrical Engineering, 2014, vol. 85, no. 11, pp. 663-667. DOI: 10.3103/S1068371214110121
9. Konev K.A., Furina A.O., Korotaev A.D., Chabanov E.A. Tsilindricheskii lineinyi ventil'nyi dvigatel' dlia dobychi nefti besshtangovym metodom [Cylindrical linear valve motor for oil production using the rodless method]. Vestnik Permskogo natsional'nogo issledovatel'skogo politekhnicheskogo universiteta. Elektrotekhnika, informatsionnye tekhnologii, sistemy upravleniia, 2021, no. 39, pp. 150-168. DOI: 10.15593/2224-9397/2021.3.08
10. Korotaev A.D., Shulakov N.V., Shutemov S.V. Eksperimental'nye issledovaniia tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo elektrodvigatelia [Exper-
imental studies of a cylindrical linear valve electric motor] Aktual'nye problemy energosberegaiushchikh elektrotekhnologii APEET-2014. Sbornik trudov mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii; Ekaterinburg, 17-20March 2014. Ekaterinburg: UrFU, 2014, pp. 198-200.
11. Kliuchnikov AT., Korotaev A.D., Shulakov N.V., Shutemov S.V. Tsilindricheskii lineinyi ventil'nyi elektrodvigatel' dlia pogruzhnogo besshtangovogo nasosa [Cylindrical linear valve electric motor for a submersible rodless pump]. Avtomatizatsiia v elektroenergetike i elektro-tekhnike. Materialy mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii; Perm', 24-25 September 2015. Perm': Permskii natsional'nyi issledovatel'skii politekhnicheskii universitet, 2015, pp. 158-162.
12. Shulakov N.V., Shutemov S.V. Primenenie tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo dvigatelia v kachestve privoda plunzhernykh neftedobyvaiushchikh agregatov [Application of a cylindrical linear valve motor as a drive for plunger oil production units]. Avtomatizatsiia v elektroenergetike i 109 elektrotekhnike. Materialy mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii; Perm', 21-22 April 2016. Perm': Permskii natsional'nyi issledovatel'skii politekhnicheskii universitet, 2016, pp. 161-167.
13. Shulakov N.V., Shutemov S.V. Perspektivy ispol'zovaniia tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo dvigatelia v kachestve privoda plunzhernykh neftedobychnykh agregatov [Prospects for using a cylindrical linear valve motor as a drive for plunger oil production units]. Fundamental'nye issledovaniia. Penza: Akademiia estestvoznaniia, 2016, no. 12, pp. 795-799.
14. Shutemov S.V. Issledovanie tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo elektrodvigatelia dlia pogruzhnogo besshtangovogo nasosa [Study of a cylindrical linear valve electric motor for a submersible rodless pump]. Fundamental'nye issledovaniia. Penza: Akademiia estestvoznaniia, 2016, no. 12, pp. 800-805.
15. Razmery info, razmery otboinykh molotkov [Dimensions info, dimensions of jackhammers], available at: http://razmery.info (accessed 14 April 2023).
16. Korotaev A.D., Kliuchnikov A.T., Shutemov S.V., Baibakov M.S. Algoritm upravleniia tsilindricheskim lineinym ventil'nym dvigatelem s postoiannymi magnitami [Control algorithm for a cylindrical linear valve
motor with permanent magnets]. Avtomatizatsiia v elektroenergetike i elektrotekhnike, 2015, vol. 1, pp. 184-189.
17. Shutemov S.V., Baibakov M.S., Korotaev A.D., Kliuchnikov A.T. Sistema upravleniia tsilindricheskim lineinym ventil'nym dvigatelem vozvratno-postupatel'nogo dvizheniia [Control system for a cylindrical linear valve motor of reciprocating motion]. Informatsionno-izmeritel'nye i upravliaiushchie sistemy, 2015, no. 9, pp. 64-69.
18. Timashev E.O., Chirkov D.A., Korotaev A.D. Rabochie kharakteristiki tsilindricheskogo lineinogo ventil'nogo dvigatelia [Performance characteristics of a cylindrical linear valve motor]. Elektrotekhnika, 2018, no. 11, pp. 27-31.
Timashev E.O., Chirkov D.A., Korotaev A.D. Operating Characteristics of a Cylindrical Linear Induction Motor. Russian Electrical Engineering, 2018, vol. 89, no. 11, pp. 643-647. DOI: 10.3103/S1068371218110135
Сведения об авторах
Конев Константин Андреевич (Пермь, Российская Федерация) -аспирант Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр-кт, 29); ведущий инженер-энергетик ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ (614068, Пермь, ул. Ленина 62, e-mail: looking_99@mail.ru).
Смыков Антон Геннадьевич (Пермь, Российская Федерация) -специалист кафедры РКТиЭС Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр-кт, 29, e-mail: goodlaike@yandex.ru).
Чабанов Евгений Александрович (Пермь, Российская Федерация) - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электротехника и электромеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: ceapb@mail.ru).
Денис Андреевич Опарин (Пермь, Российская Федерация) -старший преподаватель кафедры «Электротехника и электромеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: dlowarp@gmail.com).
About the authors
Konstantin A. Konev (Perm, Russian Federation) - Graduate Student of Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr.,); leading power engineer of LUKOIL-PERM (614068, Perm, Lenina str. 62, e-mail: looking_99@mail.ru).
Anton G. Smykov (Perm, Russian Federation) - Specialist of the Department of RCT&ES Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, Komsomolsky prospect, 29, e-mail: goodlaike@yandex.ru).
Evgenii A. Chabanov (Perm, Russian Federation) - Ph. D. in Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Electrical Engineering and Electromechanics Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., e-mail: ceapb@mail.ru).
Denis A. Oparin (Perm, Russian Federation) - Senior lecturer of the Department of Electrical Engineering and Electromechanics Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., e-mail: dlowarp@gmail.com).
Поступила: 26.11.2023. Одобрена: 07.12.2023. Принята к публикации: 10.12.2023.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов по отношению к статье.
Вклад авторов. Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку статьи.
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Разработка системы электропривода для строительной машины «Копер» / К.А. Конев, А.Г. Смыков, Е.А. Чабанов, Д.А. Опаров // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2023. - № 48. - С. 200-226. DOI: 10.15593/2224-9397/2023.4.09
Please cite this article in English as:
Konev K.A., Smykov A.G., Chabanov E.A., Oparin D.A. Development of electric drive system for construction machine "Copter". Perm National Research Polytechnic University Bulletin. Electrotechnics, information technologies, control systems, 2023, no. 48, pp. 200-226. DOI: 10.15593/2224-9397/2023.4.09
