Введение к работе
Актуальность темы. В современной горнорудной и угледобывающей промышленности преобладает открытый способ добычи полезных ископаемых. Открытая добыча обеспечивается выемочно -погрузочными работами при помощи экскаваторов.
По данным КАТЭКНИИуголь, для разреза "Бородинский" машиной, имеющей наиболее низкие показатели надёжности, является экскаватор карьерный гусеничный ЭКГ-12,5, изготовленный заводом "Крастяжмаш". На одну такую машину в среднем приходится 77 отказов в год с длительностью простоя на устранение отказа в среднем 48 часов, что в полтора раза превышает показатели экскаватора ЭКГ-12,5 Ижорского машиностроительного завода. К наиболее длительным простоям привели отказы следующих элементов рабочего оборудования копающих механизмов: балка рукояти ковша, болты крепления седлового подшипника, канаты.
Одной из возможностей влияния на процесс эксплуатации машин является регулирование рабочих режимов копания. Наиболее опасным для копающих механизмов является режим внезапного сто-порения, при котором динамические броски усилий в упругих элементах копающих механизмов могут в 5-6 раз превышать допустимые расчётные стопорные значения.
Из факторов, являющихся причинами выхода из строя элементов рабочего оборудования копающих механизмов, на технологический, организационный, климатический приходится соответственно 10 %, 14 %, 18 %, а на машинный (технический) и человеко-машинный (личностный) факторы приходится соответственно 19 % и 40 %. Большой удельный вес аварии, обусловленный взаимодействием элементов системы человек-машина для карьерных экскаваторов, по сравнению с другими экскаваторами, связан с большей чувствительностью механической системы к ошибкам машиниста, что вызвано наличием жёсткой связи между механической и электрической составляющими электроприводов и необходимостью непрерывно управлять движением ковша.
Копающие механизмы экскаватора образуют многосвязную электромеханическую систему, в которой привода напора и подъёма взаимосвязаны через ковш. Для многосвязных объектов управления
характерны такие факторы, как обмен возмущениями между звеньями подобъектов, составляющих многосвязныи объект управления, циркуляция и смешение сигналов подобъектов. Существующая для режима стопорения система ограничения динамических нагрузок экскаваторного электропривода не учитывает многосвязности копающих механизмов. Многосвязные системы автоматического регулирования описаны в основополагающих работах И.Н.Вознесенского, Г.В.Щипанова, М.В.Меерова, В.Т.Морозовского. Проблеме ограничения динамических нагрузок экскаваторного электропривода при помощи создания взаимосвязанных систем управления, т.е. систем управления, учитывающих многосвязность объекта управления, посвящены работы Л.Д.Певзнера, А.Е.Тропа, Ю.М.Иржака, В.П.Кочеткова, В.Н.Полузадова, Л.А.Антропова и других.
Таким образом, создание экскаваторного электропривода копающих механизмов, сочетающего высокую производительность с надёжным ограничением возникающих в режиме стопорения динамических нагрузок в механической части карьерного экскаватора при помощи автоматической адаптивной системы управления, является актуальным, что подтверждается проведением многочисленных конференций и симпозиумов, посвященных этим вопросам.
Цель работы. Провести аналитические исследования методов ограничения динамических нагрузок многосвязной электромеханической системы копающих механизмов карьерного экскаватора в режиме стопорения, определить условия уменьшения нагрузок одного электропривода за счёт другого и предложить технические решения для реализации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
определить показатели эффективности системы управления;
разработать математическое описание многосвязной электромеханической системы копающих механизмов карьерного экскаватора для режима стопорения, учитывающее взаимовлияние приводов напора и подъёма;
определить статические и динамические нагрузки в режиме стопорения при разработке алгоритма взаимосвязанного управления динамическими характеристиками;
синтезировать корректирующие перекрёстные связи взаимосвязанной системы автоматического управления режимом стопорения;
разработать методику определения передаточных функций разомкнутого контура адаптации подобъекта многосвязной электромеханической системы.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы теории автоматического регулирования, операторные и частотные методы представления дифференциальных уравнений, методы многосвязных систем и методы имитационного моделирования.
Научная новизна
-
Развито математическое описание многосвязной электромеханической системы копающих механизмов карьерного экскаватора как четырёхмассовой в режиме стопорения при учёте влияния забоя в функции параметров системы.
-
Предложен алгоритм управления электроприводами копающих механизмов, учитывающий взаимовлияние приводов, основанный на введении сигналов с одного электропривода на другой, и найдены передаточные функции корректирующих перекрёстных связей.
-
Определены статические нагрузки в механизмах с использованием проектных данных в качестве ограничений.
-
Составлена программа имитационного моделирования динамических процессов копающих механизмов в режиме стопорения.
-
Исследованы динамические нагрузки многосвязной электромеханической системы с учётом случайных возмущений.
-
Определены структура и параметры корректирующих перекрёстных связей, обеспечивающих ограничение и инвариантность динамических усилий в упругих элементах многосвязных электроприводов.
Практическая ценность
-
Определены показатели эффективности системы управления, позволяющие учесть влияние ограничения динамических нагрузок в режиме стопорения на увеличение межремонтного времени.
-
Разработана методика определения передаточных функций, обеспечивающих корректирующей перекрёстной связью заданные ограничения в динамике.
-
Предложена модернизированная электрическая схема взаимосвязанного управления снижения механических нагрузок в режиме стопорения экскаватора ЭКГ-12,5.
-
Введены корректирующие перекрёстные связи в систему управления режимом стопорения копающих механизмов, что уменьшает динамические броски усилия в упругом элементе на 10-20 % (уменьшение тем больше, чем больше величина динамической нагрузки).
-
Практически реализованы аналитические исследования на экскаваторе ЭКГ-12,5; показано расхождение расчётных и экспериментальных результатов, не превышающее 10-12 %.
Защищаемые тезисы
-
Развитое математическое описание многосвязной электромеханической системы копающих механизмов карьерного экскаватора позволяет учитывать влияние случайного фактора при имитационном моделировании и решать задачу определения алгоритма взаимосвязанного управления для режима стопорения.
-
Предложенные способы анализа динамических и статических нагрузок многосвязной электромеханической системы позволяют определить необходимые для алгоритма взаимосвязанного управления динамические характеристики.
-
Введение корректирующих перекрёстных связей в составе взаимосвязанной системы управления режимом стопорения в исходную систему управления режимом стопорения копающих механизмов увеличивает срок безремонтного обслуживания в 1,3 раза при уменьшении динамических нагрузок на 15 %.
-
Предложенная методика позволяет определить структуру и параметры корректирующих перекрёстных связей, обеспечивающих ограничение и инвариантность выходной координаты многосвязной электромеханической системы.
Реализация результатов работы. Разработанный пакет прикладных программ внедрён в научно-исследовательскую деятельность АО "Красноярскуголь" для моделирования многомассовых электромеханических систем копающих и поворотных механизмов различных типов экскаваторов; в учебный процесс кафедры ЭПП КГТУ для курсового и дипломного проектирования по дисциплине "Теория электропривода"; использован в договоре между ДАООТ "Красноярский
завод тяжёлых экскаваторов" и Минусинским электротехническим комплексом на производство тиристорного возбудителя для экскаваторов ЭКГ-12,5 с блоком снижения механических перегрузок.
Апробация работы. Положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на краевой научно-технической конференции "Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотребления" (Красноярск, 1991), научно-технической конференции с международным участием "Проблемы техники и технологий XXI века" (Красноярск, 1994), межвузовской научно-методической конференции "Новые технологии обучения и реализация государственного образовательного стандарта" (Красноярск, 1995), VII, VIII Международных конференциях по электрическим машинам и электроприводам в Болгарии (Варна, 1993, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 статей и докладов, I авторское свидетельство на изобретение; 3 статьи находятся в печати. Основное содержание диссертации отражено в 6 статьях и докладах.
Структура и объём работы. Диссертационная работа представлена на 177 страницах машинописного текста, иллюстрируется 49 рисунками и 18 таблицами и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 98 наименований и 6 приложений.
