СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОТКРЫВАНИЕМ ДНИЩА КОВША ЭКСКАВАТОРА Российский патент 2024 года по МПК E02F9/20 E02F3/407 

Предполагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования на карьерных экскаваторах с целью повышения надежности работы электрооборудования и механизмов открывания днища ковша экскаватора.

Известны способы управления открыванием 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 (Малафеев С.И., Мамай B.C. Электропривод открывания днища ковша экскаватора / Промышленная энергетика, 1994, №4, с. 9-10; 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 сильный дополнительный нагрев двигателя, снижающий энергоэффективность привода.

Таким образом, недостаток известного способа управления открыванием днища ковша экскаватора состоит в низкой энергетической эффективности привода вследствие действия токовой перегрузки в интервале времени после выдергивания засова до отключения кнопки управления.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ управления открыванием днища ковша экскаватора, при котором осуществляют натяжение троса, соединенного через систему рычагов с защелкой, наматыванием его на барабан с помощью электропривода постоянного тока с главной обратной связью по напряжению и подчиненным контуром регулирования тока с регулируемым ограничением, для электропривода задают номинальную угловую скорость, в режиме подтягивания троса устанавливают ограничение тока на уровне, достаточном для выбора слабины троса, в режиме открывания днища ковша устанавливают ограничение тока, равным значению, соответствующему усилию выдергивания засова, дополнительно в режиме выдергивания засова измеряют ток двигателя, отличающийся тем, что сравнивают измеренный ток с заданным ограничением и после момента превышения током двигателя ограничения, заданного для выдергивания засова, устанавливают ограничение тока, соответствующее режиму подтягивания троса (Патент РФ №2701674. МПК E02F 9/20; E02F 3/43; E02F 3/46. Опубл. 30.09.2019. Бюлл. №28).

В электроприводе постоянного тока с помощью задатчика всегда установлено задание угловой скорости, равной номинальной угловой скорости электродвигателя. В начальный момент работы привода в управляемом блоке ограничения установлено ограничение, соответствующее току подтягивания троса. При включении кнопки управления в блоке ограничения устанавливается максимальное значение ограничения тока. В результате этого ток и пропорциональный ему электромагнитный момент двигателя резко возрастают. Это приводит к выдергиванию засова и открыванию днища ковша экскаватора. Ток якорной обмотки увеличивается до значения, превышающего момент сопротивления механизма, удерживающего засов. После выдергивания засова и открывания днища ковша происходит резкое уменьшение нагрузки и, следовательно, тока электродвигателя. Днище ковша открывается под действием содержимого и происходит выгрузка горной породы. При достижении током якорной обмотки двигателя заданного порогового уровня в управляемом блоке ограничения устанавливается ограничение, соответствующее току подтягивания троса.

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 сильный дополнительный нагрев двигателя, снижающий энергоэффективность привода.

Таким образом, недостаток известного способа управления открыванием днища ковша экскаватора состоит в низкой энергетической эффективности привода вследствие действия токовой перегрузки в интервале времени после выдергивания засова до отключения кнопки управления.

Цель предполагаемого изобретения - повышение энергетической эффективности привода путем уменьшения времени действия токовой перегрузки при выдергивании засова.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления открыванием днища ковша экскаватора, при котором осуществляют натяжение троса, соединенного через систему рычагов с защелкой, наматыванием его на барабан с помощью электропривода постоянного тока с главной обратной связью по напряжению и подчиненным контуром регулирования тока с регулируемым ограничением, для электропривода задают номинальную угловую скорость, в режиме подтягивания троса устанавливают ограничение тока на уровне, достаточном для выбора слабины троса, в режиме открывания днища ковша устанавливают ограничение тока, равным значению, соответствующему усилию выдергивания засова, в режиме выдергивания засова измеряют ток двигателя, дополнительно сравнивают измеренный ток с заданным ограничением и после момента превышения током двигателя ограничения, заданного для выдергивания засова, устанавливают ограничение тока, соответствующее режиму подтягивания троса.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый способ имеет следующие новые признаки:

- сравнивают измеренный ток с заданным ограничением;

- после момента превышения током двигателя ограничения, заданного для выдергивания засова, 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:

- сравнивают измеренный ток с заданным ограничением;

- после момента превышения током двигателя ограничения, заданного для выдергивания засова, 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 энергетической эффективности электропривода 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. В результате этого происходит движение засова с ускорением из начального положения до упора. При достижении засовом упора происходит удар и кратковременное увеличение тока якорной обмотки двигателя. В момент превышения током якорной обмотки двигателя установленного порогового значения происходит формирование сигнала, устанавливающего ограничение тока, соответствующее режиму подтягивания троса. Таким образом, ток большой величины действует только при перемещении засова от начального положения до упора.

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 - элемент сравнения; 7 - RS-триггер; 8 - таймер; 9 - блок задания порогового уровня тока открывания днища ковша; 10 - кнопка управления открыванием днища ковша; 11 - преобразователь электропитания обмотки возбуждения двигателя; 12 - усилитель сигнала датчика тока; 13 - управляемый блок ограничения задания тока электропривода; 14 - обмотка возбуждения двигателя; 15 - датчик тока; 16 - регулятор напряжения; 17 - датчик напряжения; 18 - якорная обмотка двигателя постоянного тока; 19 - задатчик угловой скорости; 20 - рабочий орган экскаватора (стрела и рукоять с ковшом); 21 - барабан; 22 - трос; 23 - рычажный механизм; 24 - днище ковша; 25 - засов, 26 - 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 18 и обмоткой возбуждения 14. Обмотка возбуждения подключена к выходу преобразователя 11 электропитания обмотки возбуждения 14. 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 18 с помощью датчика напряжения 17. Задание угловой скорости двигателя осуществляется с помощью задатчика 19 (угловая скорость двигателя постоянного тока пропорциональна напряжению на якорной обмотке). Регулятор напряжения 16 выполняет сравнение сигнала задания угловой скорости и сигнала обратной связи, действующего на вычитающем входе регулятора напряжения 16 и преобразования сигнала рассогласования в соответствии с пропорциональным (или пропорционально-интегральным) законом регулирования.

Выходной сигнал регулятора напряжения 16 поступает на вход управляемого блока ограничения задания тока электропривода 13. Управление блоком ограничения 13 осуществляется выходным сигналом RS-триггера 7: при выходном сигнале RS-триггера, соответствующем уровню логического нуля, в блоке ограничения 13 установлено ограничение, соответствующее току подтягивания троса; при выходном сигнале RS-триггера, соответствующем уровню логической единицы, в блоке ограничения 13 установлено ограничение, соответствующее току открывания днища ковша, которое задается блоком задания ограничения 9. Ток якорной обмотки 18 двигателя постоянного тока 15, выходной сигнал которого через усилитель 15 поступает на вычитающий вход регулятора тока 1 и вычитающий вход элемента сравнения 6. На суммирующем входе элемента сравнения 6 действует выходной сигнал блока задания порогового уровня тока открывания днища ковша 9. На выходе порогового элемента 2, на вход которого поступает выходной сигнал элемента сравнения 6, действует сигнал с уровнем логической единицы, если ток якорной обмотки 18 двигателя постоянного тока меньше порогового значения I₀ и с уровнем логического нуля, если ток якорной обмотки 18 больше порогового значения I₀. Состояние RS-триггера определяется действием сигналов блока начальной установки 4, кнопки управления 10 открыванием днища ковша и переключением порогового элемента 2.

Подчиненный контур регулирования тока электропривода организован с помощью датчика тока 15, усилителя сигнала датчика тока 12 и регулятора тока 1, реализующего пропорционально-интегральный закон регулирования. Сигнал задания для регулятора тока 1 поступает с выхода регулируемого блока ограничения 13. Выходной сигнал регулятора тока 1 действует на входе усилителя мощности 5, выход которого подключен к якорной обмотке 18 двигателя постоянного тока.

Работа электропривода открывания днища ковша экскаватора происходит следующим образом. С помощью задатчика 19 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 7 и устанавливающий отрицательным фронтом этот RS-триггер в состояние логического нуля на выходе. При этом в управляемом блоке ограничения 13 установлено ограничение, соответствующее току подтягивания троса 22. Ограничение тока якорной обмотки 18 соответствует минимальному значению, достаточному для создания электромагнитного момента подтягивания троса 22 (электромагнитный момент двигателя пропорционален току якорной обмотки 18 двигателя). При натяжении троса 22 ток якорной обмотки 18 равен установленному ограничению, угловая скорость двигателя равна 0.

При включении кнопки управления 10 RS-триггер 7 за счет действия на его S-входе импульса переходит в состояние с уровнем логической единицы на выходе. При этом в блоке 13 устанавливается максимальное значение ограничения тока. В результате этого ток и пропорциональный ему электромагнитный момент двигателя резко возрастают. Происходит движение засова 25 с ускорением из начального положения до упора. При достижении засовом 25 упора происходит удар и кратковременное увеличение тока якорной обмотки 18 двигателя. В момент превышения током якорной обмотки 18 двигателя установленного порогового значения I₀ происходит переключение порогового элемента 2 и установка RS-триггера 7 в состояние с уровнем логического нуля на выходе. В результате этого в управляемом блоке ограничения 13 устанавливается ограничение, соответствующее току подтягивания троса.

При рассмотренном алгоритме работы электропривода при выдергивании засова большой ток якорной обмотки 18 двигателя действует только с момента включения до момента достижения засовом 25 упора. Таким образом, происходит минимальный нагрев двигателя. В результате этого обеспечивается повышение энергетической эффективности электропривода 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-20. Двигатель Д-32У1 с параметрами: номинальная мощность 18 кВт; номинальное напряжение 220 В; номинальный ток 95 А; номинальная частота вращения 1100 об/мин; активное сопротивление якорной обмотки с учетом дополнительных полюсов 0,122 Ом; активное сопротивление обмотки возбуждения 102 Ом; номинальный ток возбуждения 1,75 А; номинальный поток 13,7⋅10^-3 Вб; момент инерции ротора 0,425 кг⋅м². Параметры механизма открывания днища ковша экскаватора: диаметр барабана D=200 мм; диаметр каната d=10 мм; коэффициент передачи рычагов на рукояти k_p=0,3; коэффициент передачи рычагов на днище ковша k_к=0,12; масса засова m_з=120 кг; ход засова l=95 мм; масса днища ковша гад=6140 кг. Приведенный момент нагрузки при удельной массе породы 1,8 т/м³ при выдергивании засова составляет 378 Н⋅м. Приведенный момент нагрузки при подтягивании троса М_п=40 Н⋅м.

В Simulink-модели, составленной в соответствии со схемой, изображенной на фиг. 1, использованы П-регулятор напряжения с передаточной функцией

где k_рн - коэффициент передачи регулятора напряжения, k_рн=10;

ПИ-регулятор тока с передаточной функцией

где k_рт - коэффициент передачи регулятора тока, k_рт=10;

Т_рт - постоянная времени регулятора тока, Т=0,05 с;

усилитель мощности с коэффициентом передачи k_у=25.

В управляемом блоке ограничения 13 установлены следующие значения ограничения тока: в режиме подтягивания троса 10А, в режиме открывания днища ковша 200 А.

На фиг. 2 показана осциллограмма для тока I_Я и перемещения Z троса при открывании днища ковша экскаватора. До момента времени 0,5 с в управляемом блоке ограничения 13 установлено ограничение тока на уровне 10 А. Ток двигателя поддерживается на заданном уровне. Момент, создаваемый двигателем при таком токе, не достаточен для выдергивания засова 25, поэтому ротор двигателя заторможен (угловая скорость равна 0). В момент времени 0,5 с происходит включение кнопки 10. В управляемом блоке ограничения 13 устанавливается ограничение тока на уровне 200 А. Ток двигателя возрастает до значения, соответствующего усилию сопротивления засова 25. Происходит движение засова 25 с ускорением. В момент времени 1,4 с засов достигает упора и резко останавливается. Ток якорной обмотки при останове возрастает. В момент времени 1,45 с происходит переключение порогового элемента 2 и возврат RS-триггера 7 в состояние логического нуля на выходе. После этого в управляемом блоке ограничения 13 устанавливается ограничение тока на уровне 10 А. Двигатель затормаживается. При этом под действием горной породы происходит открывание днища ковша 24 и выгрузка породы. После выгрузки породы за счет действия механизма возврата днище ковша 24 закрывается и происходит его запирание засовом 25.

Действующий ток якорной обмотки двигателя за цикл экскавации продолжительностью 30 с при длительности включения тока открывания днища ковша 0,9 с равен 41 А. Средняя за цикл экскавации мощность потерь в двигателе составляет 338 Вт.

Следовательно, использование в известном способе управления открыванием днища ковша экскаватора, при котором осуществляют натяжение троса, соединенного через систему рычагов с защелкой, наматыванием его на барабан с помощью электропривода постоянного тока с главной обратной связью по напряжению и подчиненным контуром регулирования тока с регулируемым ограничением, для электропривода задают номинальную угловую скорость, в режиме подтягивания троса устанавливают ограничение тока на уровне, достаточном для выбора слабины троса, в режиме открывания днища ковша устанавливают ограничение тока, равным значению, соответствующему усилию выдергивания засова, в режиме выдергивания засова измеряют ток двигателя, дополнительно сравнения измеренного тока с заданным ограничением и после момента превышения током двигателя ограничения, заданного для выдергивания засова, установление ограничения тока, соответствующего режиму подтягивания троса, повышает энергетическую эффективность привода путем уменьшения времени действия токовой перегрузки при выдергивании засова.

Использование предлагаемого способа на карьерных экскаваторах будет способствовать повышению надежности и качества работы электрооборудования.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования на карьерных экскаваторах. Технический результат - повышение энергетической эффективности привода путем уменьшения времени действия токовой перегрузки при выдергивании засова. Способ управления открыванием днища ковша экскаватора, при котором осуществляют натяжение троса, соединенного через систему рычагов с защелкой, наматыванием его на барабан с помощью электропривода постоянного тока с главной обратной связью по напряжению и подчиненным контуром регулирования тока с регулируемым ограничением. Для электропривода задают номинальную угловую скорость. В режиме подтягивания троса устанавливают ограничение тока на уровне, достаточном для выбора слабины троса. В режиме открывания днища ковша устанавливают ограничение тока, равное значению, соответствующему усилию выдергивания засова. В режиме выдергивания засова измеряют ток двигателя. Сравнивают измеренный ток с заданным ограничением и после момента превышения током двигателя ограничения, заданного для выдергивания засова, устанавливают ограничение тока, соответствующее режиму подтягивания троса. 2 ил.

Способ управления открыванием днища ковша экскаватора, при котором осуществляют натяжение троса, соединенного через систему рычагов с защелкой, наматыванием его на барабан с помощью электропривода постоянного тока с главной обратной связью по напряжению и подчиненным контуром регулирования тока с регулируемым ограничением, для электропривода задают номинальную угловую скорость, в режиме подтягивания троса устанавливают ограничение тока на уровне, достаточном для выбора слабины троса, в режиме открывания днища ковша устанавливают ограничение тока, равное значению, соответствующему усилию выдергивания засова, в режиме выдергивания засова измеряют ток двигателя, отличающийся тем, что сравнивают измеренный ток с заданным ограничением и после момента превышения током двигателя ограничения, заданного для выдергивания засова, устанавливают ограничение тока, соответствующее режиму подтягивания троса.