Синтез регулятора натяжения тяговых канатов мощного драглайна Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© С.Е. Иконников, 2005

УДК 621.879.38 С.Е. Иконников

СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРА НАТЯЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ КАНАТОВ МОЩНОГО ДРАГЛАЙНА

Семинар № 6

пыт эксплуатации мощных эксквато-

У-т ров-драглайнов показывает, что возникновение динамических нагрузок в тяговом механизме связано с режимом стопорения ковша, из-за которого усилие натяжения тяговых канатов значительно превышает заданное стопорное значение, что может привести к обрыву каната и возникновению аварийной ситуации.

Для стабилизации максимального натяжения тяговых канатов предложены различные варианты автоматизированных устройств. Для решения этой задачи наиболее целесообразно применить параллельную коррекцию, при которой регулятор и датчик натяжения тяговых канатов, образуя контур регулирования усилия натяжения, взаимодействуют с экскаваторным электроприводом тяги через логический блок выделения минимального сигнала [1].

Разработан метод синтеза регулятора натяжения тяговых канатов при параллельной коррекции электропривода тяги для идеализированного режима жесткого стопорения ковша при влиянии момента сопротивления от усилия в упругом канате [1].

В данной статье рассмотрен синтез регулятора усилия натяжения тяговых канатов в режиме реального стопорения ковша при влиянии момента сопротивления. По результатам аналитического синтеза были проведены исследования динамических процессов в САР натяжения тяговых канатов при помощи цифрового моделирования на 1ВМ РС на примере экскаватора-драглайна типа ЭШ 20.90.

На рисунке показана структурная схема системы автоматического регулирования (САР) натяжения тяговых канатов с экскаваторным электроприводом постоянного тока, выполненного по системе "генератор-двигатель" с тиристорным возбудителем.

При исследовании электропривода тяги и САР натяжения тяговых канатов в процессе синтеза регулятора усилия принимаются допущения, которые состоят в том, что: - процесс стопорения ковша начинается в момент окончания копания грунта с номинальной толщиной стружки при номинальной скорости электропривода тяги;

- непреодолимое препятствие в процессе стопорения при взаимодействии с ковшом имитируется линейной пружиной без обратной отдачи.

Сила упругости Рпр такой пружины равна: Рпр = Сгр * 1к, (1)

где Сгр - жесткость грунта на смятие; 1к - перемещение ковша вдоль забоя с момента начала стопорения.

При этом путь 1к, пройденный ковшом при стопорении,равен:

1к = гбУт - Цт,

где гб - радиус барабана лебедки тягового механизма; Ут - угол, на который повернулась лебедка тяги за время стопорения; Цт - деформация тяговых канатов.

Усилие в тяговых канатах Бт равно:

Бт = СтЦт = Стгб / 1рУт = Стгб / 1р ^Л, где Ст - жесткость тяговых канатов; 1р - передаточное отношение редуктора механизма тяги; - угловая скорость механизма тяги.

Действие всех сил на ковш при стопорении записывается в виде уравнения:

Мк1к = Бт - Рпр - Ртр, (2)

где Мк - масса груженного ковша; Ртр = Ь 1к -сила трения, действующая на ковш при стопо-рении,Ь - постоянный коэффициент.

С учетом выражения (1) уравнение (2) примет вид:

Мк1к + Ь1к + Сгр1к = Бт

Момент сопротивления Мс, приведенный к валу двигателя равен:

Мс = гб*Бт / (1р*п),

где п - КПД редуктора механизма тяги.

При стопорении выполняется условие:

Рпр = Бетой,

где Бетой - стопорное усилие в тяговых канатах; тогда справедливо выражение Сгр = Бетой / 1к (3)

При 1к = 0 имеет место идеализированный режим жесткого стопорения ковша, в котором возникают наиболее тяжелые динамические нагрузки [1].

На схеме приняты обозначения: Се, См -конструктивные постоянные двигателя; Ктв, Кг, Кя, Кдн, Кдт, Кднтк - передаточные коэффициенты тиристорного возбудителя, генератора, якорной цепи двигателя, датчиков напряжения, тока и натяжения тяговых канатов; Ттв, Тг, Тя, Тм - постоянные времени тиристорного возбудителя, генератора, якорной цепи, электромеханическая двигателя; Цск - напряжение командоаппарата тяги.

В качестве датчика натяжения тяговых канатов ДНТК используется устройство измерения усилия по статической составляющей тока силовой цепи.

При синтезе в качестве регулятора усилия натяжения тяговых канатов РНТК принимается ПД - регулятор с передаточной функцией:

Шрнтк(р) = Кп(Тдр+1) ,

где Кп - коэффициент пропорциональности; Тд

- время дифференцирования.

Сигнал Цзн задания регулятору РНТК соответствует заданному максимальному натяжению тяговых канатов, равному стопорному значению Бстоп.

В качестве регулятора РТ тока силовой цепи 1я был принят ПИ - регулятор с передаточной функцией:

Шрт(р) = (Трт р + 1) / Ти р ,

где Трт и Ти - постоянные времени регулятора

тока.

При оптимизации замкнутого контура регулирования тока параметры РТ рассчитывались исходя из критерия "модульного оптимума" [2].

В качестве регулятора PH напряжения генератора Цг был принят П - регулятор с передаточной функцией:

Шрн(р) = Крн

где Крн - передаточный коэффициент регулятора напряжения.

Все регуляторы имеют ограничители максимального уровня выходного сигнала.

После преобразований и линеаризации нелинейных элементов структурная схема САР натяжения тяговых канатов была преобразована так, что в нее входит передаточная функция звена "двигатель механизма тяги -упругий канат" Шк(р) равная:

Бп(р) Кк(Тяр + 1)

Шк(р) =-----------=--------------------,

1я(р) Тор + Т1р +1

См * 1р * п

где Кк =---------------- ;

гб

То = Тм * Тк ; Т1 = Тя + Тк ;

Се См 1р п

Тк =-------------------;

Яя гб Сс

Сс = СтСгр / (Ст + Сгр) ;

где Сс - суммарная жесткость тягового каната и грунта; Яя - сопротивление якорной цепи двигателя.

Передаточной функции замкнутой САР натяжения тяговых канатов имеет вид:

К*(Тдр+1)

Шзам(р) = -------------------------------------

(4)

ТоТгр+(ТгТ 1+То)р+(Тг+Т 1+К*Тд)р+1+К где К = Ктв*Кг*Кк*Кднтк*Кп / Яя

Выражение (4) передаточной функции Шзам(р) можно привести к нормированной форме Вышнеградского [3]:

А1р + 1

Шзам(р) =-----------------------------

р + А2р + А1р + 1 Коэффициенты А1 и А2 определяются по [4] как:

Тг+Т1+К*Тд

А1 =-------------------- (5)

(1+К) *То*Тг

Тг*Т1+То

А2 =------------------- (6).

(1+К)*(То*Тг)

Используя метод стандартных коэффициентов [3] и приняв:

А1 = А2 = 3 из условия оптимизации по быстродейтвию при отсутствии колебательности и минимального перерегулирования можно выразить из выражения (6) оптимальное значение К:

(Тг*Т1+То)

К =--------------------1 (7)

А2*(То*Тг)

Выражение (7) подставим в (5) определим оптимальное значение Тд:

1

Тд = --- * (А1 * (1+К)*То*Тг - Тг - Т1)

К

В режиме жесткого стопорения ковша выполняется равенство: Сс = Ст.

Для экскаватора-драглайна типа ЭШ 20.90 в результате расчета параметры регулятора РНТК оказались равны:

Кп = 1.034 с.; Тд = 0.431 с.

Как показала практика, в режиме реального стопорения (1к = 0) максимальный путь ковша равен приблизительно 0.4 м.При значениях 1к отличных от нуля, жесткость грунта Сгр вычисляется по (3), при этом суммарная жесткость грунта и тягового каната Сс уменьшается с увеличением 1к.

Синтез регулятора усилия РНТК при 1к = 0 выполняется аналогично как для режима жесткого стопорения, однако с учетом изменения суммарной жесткости Сс. Результаты расчетов занесены в таблицу:

1. Ломакин М.С., Косорыгин B.C., Кулешов И.С. Синтез регулятора натяжения тяговых канатов драглайна. - М.: МГИ,1988.

Ik,M Сгр, кН/м Сс, кН/м Кп Тд

0 да 4400 1,0З 0,4З

0,1 12000 З219,5 1,З7 0,45

0,2 6000 25З8,5 1,7 0,46

0,З 4000 2095 2,06 0,47

0,4 З000 1784 2,З9 0,48

При моделировании САР натяжения тяговых канатов с учетом нелинейных элементов и расчетными коэффициентами для экскаватора-драглайна ЭШ 20.90 на 1ВМ РС были получены графики переходного процесса регулирования усилия в тяговых канатах при различных значениях 1к и сделан вывод о том, что выбранная структура САР натяжения тяговых канатов и методика синтеза регулятора усилия РНТК является оптимальной для исследуемой модели экскаваторного электропривода и механизма тяги драглайна.

Поскольку техническая реализация регулятора усилия выполняется на программируемом микропроцессорном контроллере, то с целью определения допустимой величины периода квантования по времени Т было проведено моделирование САР натяжения тяговых канатов с учетом ЦАП, АЦП и цифрового ПД - регулятора РНТК.

Исследования показали, что период квантования по времени Т не должен превышать 0.025 с., чтобы качественные показатели в дискретной системе практически не отличались от их значений в аналоговой системе.

----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Ключев В.И Теория электропривода: учебник для ВУЗов. - М., Энергоиздат, 1985.

3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. - М.: Наука, 1975.

— Коротко об авторах ------------------------------------

Иконников С.Е. - Московский государственный горный университет.

ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИИ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор

Название работы

Специальность Ученая степень

витюк Разработка инновационных принципов по раз- 05.02.22 к.т.н.

Анатолий мещению и организации производства на основе

Кондратьевич диверсификации угледобывающих предприятий (на примере Приморского края)