Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние исследований режимов нагружения и расчета главных электроприводов экскаваторов - драглайнов
1.1 Учет условий эксплуатации и особенностей взаимосвязанной системы главных приводов в расчетах электромеханических систем драглайнов 16
1.2 Выбор мощности и параметров главных приводов для заданных горно-технологических условий эксплуатации 30
1.3 Оптимизация режимов работы и параметров главных электроприводов 40
1.4 Исследование качества функционирования электромеханических комплексов одноковшовых экскаваторов в реальных условиях эксплуатации 47
1.5 Цели и задачи работы 50
2 Методика расчета мощности главных электроприводов и параметров рабочего цикла драглайна для конкретных условий эксплуатации
2.1 Постановка задачи и обоснование структуры имитационной модели 52
2.2 Параметры расчетных схем отработки забоя и образования отвала 58
2.3 Длительность рабочего цикла экскаватора 68
2.4 Выводы 73
3. Методика аналитического расчета параметров переходных режимов работы электроприводов
3.1 Постановка задачи 74
3.2 Оценка погрешности моделей для расчета момента на валу электродвигателя в переходных режимах работы в задаче определения эквивалентного тока 75
3.3 Расчет момента на валу электродвигателя в переходных режимах работы 80
3.4 Выводы 90
- Учет условий эксплуатации и особенностей взаимосвязанной системы главных приводов в расчетах электромеханических систем драглайнов
- Оптимизация режимов работы и параметров главных электроприводов
- Постановка задачи и обоснование структуры имитационной модели
- Оценка погрешности моделей для расчета момента на валу электродвигателя в переходных режимах работы в задаче определения эквивалентного тока
Введение к работе
По данным Международного института угля [181], эквивалентные запасы угля в пересчете на нефть превышают запасы нефти в 3-Ю раз для стран Центральной и Северной Африки, Европы, России и Азии. Это ставит уголь как источник энергии на первое место для тех стран, которые заботятся о своей экономической безопасности.
Увеличение добычи угля в России будет достигнуто в результате ввода в действие новых горных предприятий и роста производительности труда на действующих. Можно отметить, что после продолжительного спада в добыче полезных ископаемых в стране, наступил период стабилизации и роста добычи, связанный с эффективной эксплуатацией существующих месторождений и строительством новых горно-добывающих предприятий.
Президентом России поставлена задача удвоения внутреннего валового продукта.
Одним из основных путей решения важной народнохозяйственной задачи удвоения ВВП является рост эффективности добывающих отраслей промышленности, в том числе путем создания новых и совершенствования серийно выпускаемых карьерных экскаваторов и шагающих драглайнов.
Новые экскаваторы производят на предприятиях отечественного машиностроения АО "ОМЗ - Объединенные машиностроительные заводы" (в городах Екатеринбурге и Санкт-Петербурге).
Высокий уровень советского экскаваторостроения подтвержден многолетней практикой эксплуатации карьерных экскаваторов ЭКГ-5А, ЭКГ-12, ЭКГ-20, драглайнов ЭШ 15.90А, ЭШ 20.90, ЭШ 40.85, ЭШ 65.100, ЭШ 100.100 производства ПО "Уралмаш".
Успехи экскаваторостроения в России достигнуты благодаря работе производственных и научных коллективов Министерства промышленности, предприятий электротехнической и угольной промышленности, учебных заведений высшего профессионального образования. Исследования по , проблемам конструирования, производства, наладки и эксплуатации мощных шагающих экскаваторов выполнены и ведутся в коллективах производственных объединений "Уралмаш", "Электросила", заводов КЭМЗ, научно-исследовательских институтов ВНРШэлектропривод, ИГД им. Скочинского, высших учебных заведений МЭИ, МИСИ, МГИ, УГТУ-УПИ и других. Свой вклад в дело развития экскаваторостроения вносят ученые и специалисты Уральского государственного горного университета (УГГУ).
Ведущие ученые и производственники страны благодаря творческому отношению к делу, инициативе, выдающимся личным качествам обогатили наши знания в области процессов на открытых горных работах, теории и практики создания экскаваторов, их электропривода и систем управления. Среди них пользуются и пользовались заслуженным уважением Е. А. Винокурский, Ю. Я. Буль, Н. Г. Домбровский, О. А. Залесов, Ю. М. Ир-жак, Ю. Т. Калашников, В. И. Ключев, В. Р. Кубачек, 3. П. Ломакин, М. С. Ломакин, В. М. Мамкин, Н. В. Мельников, М. Б. Носырев, Б. В. Ольхови-ков, В. Н. Остриров, Л. Д. Певзнер, В. Д. Потапов, В. Л. Раскин, В. В. Ржевский, Б. И. Сатовский, В. Я. Ткаченко и др.
В части производства новых шагающих экскаваторов в России [117, 130] и других странах мира [5, 95] наблюдается тенденция к возрастанию единичной мощности карьерных экскаваторов и драглайнов, при этом ем-кость ковша достигает 100 ... 168 м .
При создании машин такого класса предъявляются повышенные требования к электроприводу рабочих механизмов и системам управления, в частности, такие как повышение энерговооруженности экскаватора, снижение удельных энергозатрат на экскавацию и транспортировку горной массы при сохранении заданных уровней производительности и динамических нагрузок в металлоконструкциях. Выполнение этих требований обеспечивается прежде всего на стадии проектирования электромеханических систем (ЭМС) драглайна. Стадия проектирования важна не только для новых экскаваторов. Парк экскаваторов требует обновления. Можно считать сложившейся практикой, когда горные предприятия, с целью продления срока эксплуатации экскаватора и с учетом большого ресурса металлоконструкций и механического оборудования, идут по пути замены физически и морально устаревшего электропривода главных механизмов новым. При этом замене подлежат электродвигатели, преобразовательные агрегаты и системы управления.
Такое техническое перевооружение требует детальной проектной подготовки, связанной, в том числе, с выбором электрических машин главных приводов экскаваторов. Выбор электродвигателей определяется условиями эксплуатации экскаватора.
Опыт ведущих мировых фирм свидетельствует, что побеждает в тендерах на поставку экскаваторов тот производитель, кто предлагает машину, спроектированную под конкретную технологию разработки месторождения, причем проект разработки входит в комплект поставки экскаватора. Таким образом, качество проектирования является первым в ряду наиболее.важных факторов с точки зрения эффективности экскаватора как составной части горно-добывающего предприятия.
Поэтому также актуальны задачи совершенствования методов расчета основных конструктивных и наладочных параметров ЭМС и оптимизации технологических схем экскавации.
Второй фактор, который в большой степени определяет эффективность работы экскаватора - это качество управления электротехническими комплексами (ЭТК) главных приводов. Проблема управления имеет три составляющие: автоматическое регулирование выходных координат ЭМС, синтез оптимального управления взаимосвязанными ЭМС главных приводов, реализация принципа управления с обратной связью между машинистом и технологическим процессом экскаватора в системе «забой - отвал -экскаватор». Задача автоматического регулирования выходных координат ЭМС в данной работе не рассматривается ввиду того, что она носит подчиненный характер по отношению к главной идее работы - исследованию главных электроприводов одноковшовых экскаваторов как части системы «забой - отвал - экскаватор».
Поэтому наибольшее внимание уделено исследованию электроприводов с позиций использования результатов работы, в том числе алгоритмов оптимального управления, в современных системах управления и информационно-измерительных системах контроля показателей работы экскаваторов.
Полученные результаты явились основой для разработки методов идентификации технологических режимов работы одноковшовых экскаваторов, без которых невозможно построение систем управления электроприводами главных механизмов и контроля показателей работы экскаватора.
Трудности решения перечисленных выше задач проектирования и управления определяют прежде всего многообразие технологических схем экскавации и связанные с этим сложности выбора расчетных нагрузочных диаграмм электроприводов; взаимное влияние выходных координат ЭМС главных приводов на процесс транспортирования горной массы, проявляющееся в наличии лимитирующего привода; зависимость нагрузок в главных приводах от положения ковша относительно стрелы экскаватора; необходимость априорного выбора параметров ЭМС в начальной стадии проектирования; сложность протекающих в системах экскаватора электромагнитных и механических переходных процессов, наличие статистической взаимосвязи между выходными координатами ЭМС.
Главным, на наш взгляд, недостатком предложенных и используемых в настоящее время методов расчета ЭМС является то, что их выполняют для заданного, так называемого расчетного рабочего цикла экскаватора. Вопросы оптимизации параметров ЭМС драглайна решаются с использованием современных ЭВМ и сложных математических методов выбора параметров. Однако получаемые результаты оптимальны только для вполне определенного, принятого в расчете рабочего цикла.
Целью диссертационной работы является разработка методов выбора оптимальных значений параметров, законов управления и методов контроля работы электромеханических комплексов главных электроприводов экскаваторов, приводящих к повышению эффективности работы этих машин в заданных горно-технологических условиях эксплуатации.
Идея работы: повышение эффективности эксплуатации одноковшовых экскаваторов путем оптимизации кинематических и конструктивных параметров электромеханических комплексов главных приводов, оптимального управления и контроля работы главных электроприводов для заданных горно-технологических условий эксплуатации.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1) выбор и обоснование системы допущений для имитационного моделирования работы экскаватора в процессе выемки породы в забое заданного объема и конфигурации;
2) разработка формализованного математического описания технологической системы "забой-отвал-экскаватор" и алгоритмов имитации на ЭВМ работы экскаватора в заданных горно-технологических условиях;
3) выбор и обоснование критериев оптимальности в задаче оптимизации параметров ЭМС;
4) разработка инженерных методов расчета оптимальных в данных горнотехнологических условиях параметров главных электроприводов драглайна;
5) синтез оптимальных управлений электромеханическими системами драглайна;
6) создания методов и способов измерения показателей работы экскаваторов, в том числе методов распознавания технологических режимов работы ЭМС экскаватора как горно-добывающей машины, способа измерения статического тока электропривода, описания геометрии рабочего оборудования для измерения массы грунта в ковше экскаватора. Сложность поставленных задач, необходимость учета большого числа факторов, характеризующих экскаватор как большую систему, трудности, связанные с проведением исследований на реальном объекте определили выбор основного метода, используемого в диссертации - метода имитационного моделирования с применением ЭВМ. Имитационная модель позволяет получить важную и безусловно необходимую информацию о работе драглайна, однако решение задач оптимизации параметров ЭМС и синтеза оптимальных управлений требует применения точных аналитических и численных методов.
Достоверность основных результатов проверена в ходе экспериментов на имитационных моделях и на действующих экскаваторах, подтверждена промышленной эксплуатацией экскаваторов, проектирование которых выполнено с использованием разработанных методов, подтверждена опытом эксплуатации информационно-измерительных систем контроля показателей работы экскаваторов. Автор защищает:
1) установленные закономерности между кинематическими и конструктивными параметрами электромеханического комплекса привода поворота, оптимальные по критерию минимума эффективного момента электродвигателя за период рабочего цикла;
2) способ измерения статического тока электропривода, обеспечивающий повышенную точность измерения в переходных режимах работы электропривода;
3) метод и результаты синтеза в классе кусочно-непрерывных функций оптимального по быстродействию управления приводом поворота, представленного системой линейных дифференциальных уравнений третьего порядка;
4) методику выбора оптимальных значений параметров, законов управления и методы контроля показателей работы электромеханических комплексов одноковшовых экскаваторов, приводящих к повышению эффективности работы этих машин в заданных горно-технологических условиях эксплуатации;
5) математическую модель системы "забой-отвал-экскаватор" и алгоритмы моделирования работы экскаватора в заданных горнотехнологических условиях;
6) алгоритм проверочного расчета электрических машин методом средних потерь и инженерную методику расчета температуры электрических машин главных приводов;
7) методику и алгоритмы расчета оптимальной по критерию минимума потерь энергии траектории подъема ковша драглайна;
7) метод распознавания технологических режимов работы ЭМС главных приводов и экскаватора как горно-добывающей машины с использованием алгоритма вычисления оценок и процедуру оптимизации параметров алгоритма;
8) метод распознавания технологических режимов работы ЭМС главных приводов и экскаватора как горно-добывающей машины, основанный на теории информации;
9) методику расчета статического усилия в приводе подъема ковша экскаватора, учитывающую изменение положения точки схода подъемного каната с головного блока и изменение положения точки касания рукояти и кремальерной шестерни.
Научная новизна полученных автором результатов заключается в следующем:
1) установлены закономерности между кинематическими и конструктивными параметрами электромеханического комплекса привода поворота, оптимальные по критерию минимума эффективного момента электродвигателя за период рабочего цикла;
2) предложен новый способ измерения статического тока электропривода, обеспечивающий повышенную точность измерения в переходных режимах работы электропривода;
3) разработаны метод и алгоритмы синтеза в классе кусочно-непрерывных функций оптимального по быстродействию управления электромеханическим комплексом, представленным системой линейных дифференциальных уравнений третьего порядка;
4) разработан метод распознавания технологических режимов работы ЭМС главных приводов и экскаватора как горно-добывающей машины, основанный на теории информации;
5) определена процедура оптимизации параметров алгоритма вычисления оценок в задаче распознавания технологических состояний одноковшовых экскаваторов;
6) разработана методика расчета и найдены распределения относительной частоты появления значений интегральных оценок, характеризующих энергетические свойства электроприводов, при работе экскаватора в заданных условиях эксплуатации;
7) разработаны методы расчета оптимальных параметров ЭМС на основе данных о распределении эффективных моментов двигателей;
8) по условию максимального соответствия экспериментальных и расчетных данных выявлены аналитические зависимости для расчета составляющих суммарных потерь в электрических машинах главных электроприводов драглайнов;
9) разработаны метод и алгоритм определения траектории подъема, обеспечивающие минимум потерь электрической энергии за период подъема ковша драглайна. Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:
1) инженерная методика расчета оптимальных параметров ЭМС позволяет избежать многократного выполнения проверочного расчета электрических машин главных приводов и ускорить конструирование, а также выбрать наилучшие с учетом ограничений параметры электромеханической системы экскаватора для заданных горно-технологических условий;
2) методика оптимизации технологических схем ведения горных работ дает возможность определить наилучшую (обеспечивающую максимальную производительность) последовательность отработки забоя и отсыпки отвала;
3) метод распознавания технологических режимов работы ЭМС главных приводов и экскаватора как горно-добывающей машины, а также способ измерения статического тока электропривода позволяют создавать информационно-измерительные системы контроля текущих и интегральных показателей работы ЭМС главных приводов и экскаватора;
4) результаты синтеза оптимальных управлений, полученные по предлагаемым методикам, позволяют найти предельные режимы работы электромеханических систем экскаваторов;
5) установлен характер функциональной зависимости между коэффициентами загрузки электрических машин по эквивалентному току и тепловым потерям, выполнена оценка границ применения указанной зависимости.
Результаты исследований представлены в наглядной и удобной для практического использования форме, алгоритмы выбора оптимальных параметров доведены до уровня машинных программ.
Реализация результатов работы.
Изложенные в диссертационной работе методы, алгоритмы и программы расчета электромеханических систем и систем управления мощ 15 ных шагающих экскаваторов выполнены в рамках договоров между Уральским государственным горным университетом (УГГУ) и ПО "Урал-маш" на создание научно-технической продукции, переданы отделу Главного конструктора по электроприводу и автоматизации НИИТяжмаш ПО "Уралмаш" и использованы при проектировании драглайнов ЭШ 20.90, ЭШ 65.100, ЭШ 100.120 и наладке систем управления головного образца драглайна ЭШ 20.90. Методика расчета параметров ЭМС для конкретных условий эксплуатации использована при проектировании электроприводов драглайна ЭШ 100.120.
Установленные в работе закономерности между кинематическими и конструктивными параметрами электромеханического комплекса привода поворота, оптимальные по критерию минимума эффективного момента электродвигателя за период рабочего цикла, использованы при выборе электрических машин экскаватора ЭШ 20.90.
Методы решения и алгоритмическое обеспечение задач идентификации технологических состояний одноковшового экскаватора и измерения массы грунта в ковше экскаватора выполнены в рамках договоров между УГГУ и АО «Уралмаш» на создание научно-технической продукции и использованы при разработке информационных систем драглайнов ЭШ 20.90, ЭШ 100.100, ЭШ 65.100, ЭШ 25.90 и карьерных экскаваторов ЭКГ-12,ЭКГ-5А.
Учет условий эксплуатации и особенностей взаимосвязанной системы главных приводов в расчетах электромеханических систем драглайнов
Необходимость учета условий эксплуатации при проектировании драглайнов общеизвестна. Анализ опубликованных работ [29, 83, 84, 89, 119, 130, 152, 156] позволяет выделить две основные задачи, возникающие в результате взаимодействия экскаватора и среды его эксплуатации. К первой и, по-видимому, наиболее важной задаче отнесем определение оптимального соотношения между параметрами рабочего оборудования драглайна и параметрами технологической схемы горных работ. Задачи, связанные с ее решением, рассмотрены в литературе [29, 83, 130]. Первостепенная важность указанной задачи обусловлена большими капитальными затратами на разработку месторождения, значительную долю которых составляют затраты на приобретение и эксплуатацию горно-транспортного оборудования. При этом отмечают [83] большую зависимость стоимости одного кубометра вскрыши, являющейся критерием оптимальности в вопросе выбора технологической схемы количества и типов экскаваторов от стоимости машин. Задача выбора оптимального соотношения между параметрами рабочего оборудования экскаватора и системы разработки решается на этапе проектирования горного предприятия и в диссертации не рассматривается.
Вторая задача связана с расчетом параметров ЭМС главных приводов драглайна, работающего в заданных горно-технологических условиях. Исходными данными для расчета согласно [133] служат длительность рабочего цикла, емкость ковша, длина и угол наклона стрелы, максимальные ра диус и высота разгрузки, параметры горных пород и зависящие от них параметры процесса черпания (коэффициенты разрыхления породы и наполнения ковша) и схема разработки месторождения. Очевидно, что горнотехнологические условия эксплуатации оказывают большое влияние на производительность экскаватора в целом. Установлено, что для машин среднего класса, например ЭШ 15.90, эксплуатационная производительность может составлять от 50 до 150 % расчетной, а разница между фактическим и расчетным значениями длительности рабочего цикла может достигать 10 с [82].
Изменение условий эксплуатации по сравнению с расчетными вызывает, наряду с несоответствием между эксплуатационной и расчетной про-изводительностями экскаватора, расхождение фактической и расчетной степени загрузки электрических машин. Это приводит или к недоиспользованию их мощности, или перегреву и сокращению срока службы.
В этих условиях наиболее целесообразно осуществлять выбор электрических машин и параметров ЭМС на основе информации о распределении относительной частоты появления эквивалентного усилия в рабочих механизмах главных приводов за период времени, равный указываемому заводами-изготовителями электрических машин в технических условиях временному интервалу действия эквивалентного тока. Обоснование такого подхода к выбору электрических машин содержится в диссертации.
Используемые в настоящее время методы проверочного расчета главных электроприводов основаны на решении основного уравнения движения электропривода [74-77, 86, 120, 160, 173] . В перечисленных работах математическое описание условий эксплуатации экскаватора представлено следующим набором параметров: величина изменения отрезков длины подъемного и тягового канатов от ковша до блоков за периоды подъема и опускания ковша; усилия и моменты сил статических сопротивлений на отдельных участках движения; расчетный угол поворота платформы. При веденный набор параметров достаточен для выполнения проверочных расчетов и определяет согласно [29, 84] средние условия работы экскаватора.
Наиболее распространенная методика расчета средних параметров условий эксплуатации сводится к нахождению центров тяжести забоя и отвала
Оптимизация режимов работы и параметров главных электроприводов
Установлено, что разница между коэффициентами загрузки, рассчитанными методами средних потерь и эквивалентного тока может достигать 78 % [80] . Однако в [80] отождествляют понятия тепловой загрузки электрических машин, определяемой отношением фактической и допускаемой температуры перегрева, и загрузки двигателей по эквивалентному току, показывающей только равенство или неравенство эквивалентного тока электродвигателей за период рабочего цикла номинальному. Указанное обстоятельство требует критического отношения к трактовке результатов исследований по оценке тепловой загрузки, полученных в [80] и позволяет говорить о необходимости выявления взаимосвязи между коэффициентом, характеризующим тепловую загрузку электрических машин главных приводов экскаватора-драглайна и коэффициентом загрузки по эквивалентному току.
Одним из основных этапов расчета мощности и параметров главных электроприводов драглайна является построение математической модели систем главных приводов. В зависимости от сложности математической модели расчеты выполняют аналитически [69, 70, 74, 77, 85, 137, 138, 140, 159, 160, 166, 173], с использованием аналоговых [91, 124, 139, 143] и цифровых [71, 75, 76, 82, 86, 99, 107, 108, 118, 120, 169] вычислительных машин.
Из приведенного перечня работ, использующих те или иные модели систем экскаваторных электроприводов, видно, каким большим разнообразием они отличаются. В этих условиях важное методическое значение приобретает классификация моделей. Приведем одну из них [90], являющуюся результатом обобщения работ, выполненных в начале 60-х годов по моде 39 лированию экскаваторных электромеханических систем, но не потерявшую своего значения до наших дней. Выделено три группы моделей: 1. Модели, предназначенные для решения частных вопросов, возникающих при аналитическом исследовании экскаваторных систем, при их проектировании или при построении сложных моделей этих систем. 2. Модели, в которых главные механизмы и их электроприводы представлены изолированно. 3. Модели двух (или трех) взаимосвязанных электромеханических систем.
Исходя из поставленных задач и требований системного подхода к их решению в работе уделено главное внимание моделям третьей группы как наиболее общим и отражающим основные закономерности, присущие драглайну как сложной системе. При этом в модель нами включается математическое описание среды эксплуатации.
Главной тенденцией развития математического описания ЭМС следует признать его усложнение с целью учета большего числа факторов, определяющих работу ЭМС, а также свойств составляющих элементов [107, 108, 118]. Это приводит, в основном, к уточнению характеристик работы ЭМС в переходных режимах. Уточнение математического описания ЭМС необходимо. Однако нередко связанное с этим возрастание трудоемкости процесса решения и подготовки исходных данных не компенсируется повышением точности расчета. Действительно, стремление повысить точность расчета мощности и параметров ЭМС для конкретных условий эксплуатации за счет уточнения характеристик переходных режимов работы электроприводов не может привести к желаемому результату, так как изменение того или иного показателя среды эксплуатации в пределах, определяемых свойствами пород и технологией горных работ, вызовет значительно большие изменения энергетических характеристик электроприводов по сравнению с изменениями, обусловленными применением точных методов расчета параметров переходных режимов работы ЭМС.
Так, нами в [120] показано, что изменение параметров среды эксплуатации, приводящее к изменению среднего за период подъема ковша драглайна ЭШ 65.100 тока цепи якоря электродвигателей привода подъема на 200 А, вызовет изменение эквивалентного тока двигателей на 80 А или на 5%; в то же время изменение длительности отдельных операций не приводит к значимому изменению эквивалентного тока двигателей. Таким образом, нет необходимости в существенном усложнении математического описания ЭЛС драглайна при выборе мощности электрических машин главных приводов; принятые допущения должны быть обусловлены целью и задачами исследования. Прав Р. Шеннон [174] , который пишет «Опасность... заключается в том, что модель имеет тенденцию обрастать деталями и элементами, которые порой ничего не вносят в понимание данной задачи. Поэтому ... наблюдается тенденция имитировать избыточное число деталей. Во избежание такого положения следует строить модель, ориентированную на решение вопросов, на которые требуется найти ответы, а не имитировать систему во всех подробностях».
Заключая анализ литературных источников по проблемам, связанным с выбором мощности и параметров главных приводов для заданных горнотехнологических условий эксплуатации, отметим следующее.
Расчеты носят характер проверочных, что вынуждает повторять процедуру расчета как в случае получения неудовлетворительного результата, так и при изменении расчетных условий работы экскаватора или параметров электромеханических систем.
Постановка задачи и обоснование структуры имитационной модели
Для решения задачи выбора электрооборудования и основных конструктивных параметров ЭМС драглайнов необходимо располагать информацией о энергетических параметрах ЭМС ( мощность, эквивалентное усилие в механизмах и т.д.) и параметрах рабочего цикла экскаватора( длительность, угол поворота платформы, длина подъемного каната, наматываемого на барабан за период подъема ковша и т.д.) для всех рабочих циклов, обеспечивающих отработку забоя и отсыпку отвала с одного места стояния машины. Учитывая, что количество рабочих циклов, необходимых для отработки драглайном забоя заданного объема и конфигурации составляет несколько сотен, одной из задач, возникающих при разработке методики расчета мощности главных электроприводов и параметров рабочего цикла для конкретных условий эксплуатации является разработка формализованного математического описания технологической системы «забой -отвал - экскаватор». Основные требования, предъявляемые к математическому описанию системы «забой - отвал - экскаватор» следующие: единый принцип построения, пригодный для описания различных технологических схем работы экскаватора; учет всех рабочих циклов, необходимых для отработки забоя; возможность анализа разных последовательностей экскавации породы в забое и отсыпки отвала. Нами предложено [26] технологические параметры рабочего цикла (угол поворота и длины подъемного и тягового канатов, наматываемые на барабан за периоды подъема и спуска ковша) рассматривать как функции декартовых коорди- нат точек начала черпания, отрыва и разгрузки ковша. В отличие от известного [84, 157, 158, 161] такой подход позволяет удовлетворить всем поставленным выше требованиям.
Использование известных методик расчета мощности и параметров ЭМС драглайнов (см. подраздел 1.2), требует априорного выбора варианта электрооборудования и конструктивных параметров главных механизмов. Однако в дальнейшем будет показано, что, несмотря на отличие численных значений параметров ЭМС, значения коэффициентов передачи передаточных функций элементов системы управления и электромеханической части привода, рассчитанные для различных драглайнов, приблизительно одинаковы. Указанное обстоятельство позволяет с достаточной для инженерных расчетов точностью определять длительность переходных режимов работы электропривода и относительное значение среднего за эти периоды момента электродвигателей. Следовательно, до начала выбора электрооборудования для каждого рабочего цикла можно установить требуемые энергетические характеристики конкретной ЭМС.
Решение задачи расчета мощности главных электроприводов и параметров рабочего цикла драглайна для конкретных условий эксплуатации затруднено наличием значительного числа нелинейных и трансцендентных уравнений, описывающих поведение систем главных приводов, а также необходимостью рассматривать совместно системы уравнений, описывающих ЭМС подъема, тяги, поворота и уравнения связи между приводами, причем граничные условия в уравнениях изменяются при выполнении каждого рабочего цикла. Учитывая сложность задачи, необходимость получения результатов для проектируемых экскаваторов, целесообразно использовать для решения метод имитационного моделирования системы взаимосвязанных приводов экскаваторов - драглайнов, работающего в заданных горно-технологических условиях. Нами предложена [99, 118, 169] структура комплексной цифровой модели ЭМС драглайна, состоящей из модуля оценки выходных параметров, модуля выбора и формирования управляющих воздействий, модели ЭМС, модуля имитации внешних условий, модуля подготовки исходных данных. Модель ЭМС есть система обыкновенных дифференциальных уравнений x = f(x,p,t) где х - вектор состояния системы; р - вектор параметров; / - текущее значение времени; / - вектор-функция правых частей системы дифференциальных уравнений, и уравнений связи между приводами. Ввиду того, что основной акцент в настоящей работе сделан на исследование взаимодействия ЭМС драглайна и среды его эксплуатации, структура модели [99, 118, 169] изменена, конкретизированы функции отдельных модулей.
Используемая в дальнейшем структура имитационной модели отработки экскаватором-драглайном элемента забоя приведена на рис. 2.1.
Как следует из рисунка, имитационная модель состоит из модуля имитации среды функционирования экскаватора, модели электромеханических систем главных электроприводов, модуля оценки выходных параметров.
Оценка погрешности моделей для расчета момента на валу электродвигателя в переходных режимах работы в задаче определения эквивалентного тока
Рассмотрим методику расчета параметров переходных режимов работы электроприводов подъема и тяги.
Расчет параметров переходных режимов при выполнении расчетов электроприводов аналитическими методами выполняют [25, 173] на основании уравнений 1п.п = Пуст 1; є = (Мдв -Mconp)J \ где tnn - длительность переходного режима работы; є - ускорение, создаваемое электроприводом; Мсопр - статический момент.
В последних уравнениях неизвестным является момент двигателя Мдв. Основное влияние на значение момента Мдв в переходных режимах оказывает структура и параметры настройки системы управления электроприводом, а также значение статического момента. Используя понятия о статической и динамической ошибках регулирова ния, можно записать Мде =1-(А1дин + А1ст), где Мдт, А1ст- средние за период регулирования значения динамической и статической ошибок тока цепи якоря.
В [25, 103, 172] приводят выражения для динамической ошибки регулирования тока цепи якоря в двухконтурной системе подчиненного регулирования, полученные без учета статической ошибки регулирования тока якоря. Вместе с тем в [173] отмечается, что технологические особенности работы экскаваторных электроприводов требуют формирования механических характеристик специальной формы за счет изменения наклона крутопадающего участка. Желаемую форму получают введением дополнительной обратной связи требуемой полярности с выхода датчика скорости двигателя (напряжения генератора) на вход регулятора тока. Очевидно, что при расчете параметров пуско-тормозных режимов электроприводов, в частности Мдв, необходимо учитывать наличие статической ошибки AIcm. Расчет значения Мдв выполним на основе математического описания
ЭМС привода рабочего органа драглайна, представляющего систему двух обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений. Покажем, что использование такого математического описания не приводит к существенным погрешностям при выполнении энергетических расчетов по сравнению с системой дифференциальных уравнений, включающей более двух уравнений.
С этой целью рассмотрим структурные схемы, соответствующие типовому электроприводу экскаватора-драглайна. На рис. 3.1 а приведена полная структурная схема электропривода, на рис. 3.16- упрощенная. а) полная структурная схема электропривода є Кщ Р «4 б) упрощенная структурная схема электропривода Рис. 3.1 Структурные схемы электропривода рабочего органа экскаватора
Допущения, используемые при составлении упрощенной структурной схемы: система управления электроприводом выполнена по схеме подчиненного регулирования координат; регулятор тока настроен на модульный оптимум; постоянная времени якорной цепи не учитывается; механическая часть электропривода представлена в виде одномассовой расчетной схемы.
Оценим погрешность, вносимую принятыми допущениями, расчета значения интеграла, входящего в выражение для определения эквивалентного тока электродвигателя т J = jll(t)dt, (3.1) о где т - расчетная длительность действия тока; 1Я{1) - выходная координата электропривода - ток якорной цепи. Поскольку в установившихся режимах работы значение (3.1) определяется только статическим током lconp{t), оценку погрешности расчета (3.1) для различных структурных схем (рис. 3.1 а и рис. 3.1 б) выполним для режима разгонаэлектропривода.
