Способ управления копающим механизмом экскаватора и устройство для его осуществления

(51)М. Кл. Е 02 Г 9720 Ъеударетюны 11 камнтет СССР яф делам язабретеннй я етнрцтяйВата опубликования описания 3001,82 ГБ,Ф.Иванков, В.Т.Бардачевский, Б.Я.Пантфнко",",В3.И.Кузнецов, Р.С.Кишко и Л.И.Ушаков Ьйстнтут, проектно- "ф- ованйомууфф" ЕА т Львовский ордена Ленина политехнически и Всесоюзный научно-исследовательский конструкторский институт по автоматизи(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОПА 10 ЩИМ МЕдАНИЗМОМ ЭКСКАВАТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к управлению горной техникой, а именно к управлению механизмами одноковшовых экскаваторов, оснащенных электроприводами постоянного тока и может быть также использовано в других промышленных механизмах с нестационарными случайными нагрузками, например в камнерезных машинах, дробилках и мельницах, сельскохозяйственных машинах..Известен способ управления копающим механизмом экскаватора, заключающийся в том, что измеряют якорный ток приводного двигателя, сравнивают его с заданной величиной тока отсечки в случае, когда якорный ток превосходит значение тока отсечки, уменьшают скорость вращения двигателя пропорционально указанному превышению 1.Недостатком известного способа управления является то, что он является малоэффективным при управлении механизмами с нестационарными случайными нагрузками, например, приуправлении копающим механизмом экскаватора в известном способе управления заданная величина тока отсечки является постоянной и определяется при проектировании для расчетногорежима работы механизма. Однако условия эксплуатации экскаваторов отличаются большим разнообразием, что 10главным образом связано с неоднородностью разрабатываемого грунта, сменой технологических операций и различием в приемах управления у разныхмашинистов. Поэтому в отдельные 5периоды работы. уровень нагрузок копающего механизма оказывается большим проектного значения, что вызывает ускоренное исчерпание материальных ресурсов механизма и его электропривода. В других ситуациях нагрузки, наоборот, могут быть в среднемменьшими расчетных, и тогда установленная мощность привода недоиспольэу3 90 ется, следовательно, не реализуется возможность сокращения времени черпания. Работа в таких режимах вызывает снижение действительной эксплуатационной производительности экскаватора по сравнению с ее расчетным значением - в первом случае иэ-за уменьщения надежности, что вызывает увеличение времени ремонтов и, следовательно, сокращение времени экскавации, а во втором случае - по причине снижения текущей (часовой) выработки. Наиболее близким к предлагаемомутехническим решением является способ управления электроприводом, основанный на изменении величины тока отсечки приводного двигателя путем измерения величины якорного тока исравнении его с заданной величинойи изменении скорости вращения двигателя пропорционально величине рассогласования. При этом перегрузкипривода частично устраняются тем,что, измеряя температуру электрических машин в процессе работы, контролируют фактический уровень их загрузки и при перегреве уменьшают величи"ну тока отсечки привода. При такомспособе регулирования система управления по сути становится самонастраивающейся, так как она автоматически устанавливает режим работы привода,исходя из условия повышения теплового использования электрических машин. Устройство для осуществления указанного способа управления электроприводом содержит приводной двигатель с преобразователем и системой управления, соединенной с датчиком якорного тока через звено оганичения тока 2 1,Однако применительно к копающему механизму экскаватора оценка его фактической загрузки по температуре электрических машин, например двигателя, также является малоэффективной. Это связано с тем, что в целом показатели надежности механизмов экскаваторов лишь в небольшой мере связани с термическим старением изоляции обмоток электрических машин.Большую же часть отказов вызываютполомки механического оборудования,и главной их причиной является накопление в металле усталостных повреждений под действием нагрузок, возникающих при копании. Кроме того,управление по указанного способу неспособствует улучшению характерис 1417 4 тик режимов, в которых развиваетсянедостаточная мощность копания, поскольку при изменении тока отсечкифактор мощности не учитываетсяЦелью изобретения является повышение точности и надежности управления копающим механизмом экскаватора,Поставленная цель достигаетсятем, что измеряют превышение пико вых значений усилия в механизме копания над заданным уровнем, определяют среднеквадратичное .значение указанных превышений, одновременно измеряют величину средней мощности дви гателя, определяют разность междусредней мощностью двигателя и среднеквадратичным превышением пиковыхусилий над заданным уровнем и изменяют. величину тока отсечки приводного 2 О двигателя, уменьшая ее пон отрицательном значении разности и увеличивая при положительном значении разности.Устройство управления копающиммеханизмом экскаватора снабжено датчиком скорости и усилия, двумя звеньями ограничения, релейным элементом, звеном запоминания максимального значения, квадратором, звеном перемножения между двумя звеньями текущего усреднения и сумматором-ограничителем, причем датчик усилия через первое звено ограничения соединен со звеном запоминания максимального значения, управляемый вход З 5 которого через релейный элемент подключен к датчику усилия, а выход через последовательно соединенные квадратор и первое звено текущего усреднения соединен с первым входом сумматора-ограничителя, второй вход которого через второе звено текущегоусреднения подключен к выходу звенаперемножения, одним входом соединенным с датчиком скорости, а вторымчерез второе звено ограничения - сдатчиком усилия, причем выход сумматора-ограничителя связан с управляющим входом звена ограничения тока.На фиг. 1 представлена схема уст ройства, иа фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая его работу.В устройстве управления копающиммеханизмом экскаватора приводнойдвигатель 1, связанный трансмиссией 55 2 с ковшом Э, питается от преобразователя 4 с системой 5 управления,соединенной через звено 6 ограничения тока с датчиком 7 якорного тока.5 9 В устройстве управления имеются также датчик 8 скорости и датчик 9 усилия. Датчик 9 усилия через первое звено 10 ограничения соединен со зве ном 11 запоминания максимального .чения, управляемый вход которого через релейный элемент 12 подключен к датчику усилия 9, а выход - ко входу квадратора 13. Выход квадратора 13 через первое звено 14 текущего усреднения подключен к одному из входов сумматора-ограничителя 15. Второй вход сумматора 15 через второе звено 1 б текущего усреднения подключен к выходу звена 17 перемножения, один вход которого соединен с датчиком 8 скорости, а второй - через второе звено 18 ограничения - с датчиком 9 усилия. энасаба уп Сущность ется в сл ния закл В процессе функционирования экскаватора непрерывно производят определение текущих значений двух характеристических величин, с помощью2 которых оценивается положительный и отрицательный эффекты от работы капающего механизма. Положительный эффект определяется мощностью копания, поскольку от ее величины прямо З зависит текущая производительность машины. Отрицательный эффект выражается в ожидаемом снижении показателей ее надежности при увеличении уровня нагрузок в капающем механизме.Текущая средняя мощность Йс, развиваемая двигателем при копанйи; измеряется как произведение скорости движения ковша иа усилие в механизме за вычетом суммы сил трения и веса ковша.Загруженность механизма определяется интенсивностью потока перегрузок 1 в передачах механизма. При этом поток перегрузок определяет темп исчерпания ресурса прочности по усталости, который пропорционален среднеквадратичному значению превышений ДГс = Г- Гу амплитудных значений Г, отдельных колебаний0 случайного усилия в механизме Г(й) над заданной величиной Гсоответствующей пределу уеталости, т.еЯ пропорционален величинеА Гс ) =1 Гс - Г 1 ) (фиг.2). Амплитудные значения Г определяются по наибольшему из мак 55 симумов усилия Г в интервалах между двумя его пересечениями (сначала снизу вверх, а затем сверху вниз) о 01417 6 среднего значения Гр амплитуд нагрузки, а именно Г = Г ф- Горпоэтому 1 р 1, Гс Гс мсс . СРВ расчетном режиме, когда ток отсечки привода принят равным установленному проектному значению можно . считать, что 11, Й = Й, Откло"% некие ожидаемой эксплуатационной производительности от ее расчетного О значения определяется величиной А 1 с (Й -Й,) -1 с (1 -), гдеи с- весовые, коэффициенты выражающие меру влияния величин Й и 1 на указанный общий эффект З Функционирования капающего механизма экскаватора, При работе капающего механизма в расчетном режиме, когда А=О изменения в величину тока отсечки электропривода не вносятся, То же относится и к режимам, не совпадающим с расчетньнюи, но таким, в которых 1 с. (Йк Йк) = 1 с (- 1 ф), так как в этих случаях увеличение (уменьшение) потока интенсивности перегрузок компенсируется увеличением (уменьшением) мощности копания в т-, ношении их влияния на ожидаемое значение эксплуатационной производительности.В режимах, отличающихся от отказанных, при МО, величину тока отсечки электропривода изменяют, а именно при А О его уменьшают, а при А 7 О - увеличивают. При уменьшении така отсечки привода одновременно уменьшаются поток интенсивности перегрузоки мощность копания Йк, так как так, а следовательно, и вращающий момент двигателя, уже не может достигать прежних максимальных значений. При увеличении тока отсечки величины 1 и Й по той же причин возрастают.Если в механизме, первоначально работавшем в проектном режимеработы, участились перегрузки, нааример из-за того, что в грунте начали встречаться участки повышенной прочности или вследствие неправильных действий машиниста, то поток интенсивности перегрузок 1 начинает возрастать, вследствие чего величина А приобретает отрицательный знак, увеличиваясь по абсолютному значению, что приводит к снижению величины тока отсечки привода, а значит величин 1 и Й, При этом отрицательный эффект от некоторого снижения мощности копания перекрывается положитель 7 9014ньм эффектом от ожидаемого повышениянадежности механизма, которое выражается в снижении длительности простоевв ремонтах, Тем самым в общемсроке службы экскаватора увеличивается доля времени, идущего на выполнение полезной работы, т.е, на экскавацию, а следовательно, повышаетсяэксплуатационная производительность,являющаяся главным экономическим по Оказателем функционирования экскаватьра.Если условия копания стали болеелегкими, то интенсивность перегрузокуменьшается. В этих условиях, наоборот, можно, не опасаясь механичес. -ких повреждений, увеличить ток отсечки в пределах, допустимых по другим ограничениям в приводе, например,по условиям коммутации электрических 2 Емашин. Польза от этого заключаетсяв том, что если допустить большеезначение тока, то средняя мощностькопания возрастает, что приводит ксокращению времени черпания, а зна- г 5чит, к увеличению текущей и эксплуатационной производительности экскаватора.Устройство, реализующее способ,управления (Фиг.1), функционирует сле- щдующим образом,С помощью датчика 9 усилия и .звеньев 10-14 производится вычисление интенсивности потока перегрузок.1 Ъ трансмиссии механизма в соответствии с приведенной выше Формулой 1 работы указанных звеньев иллюстрируется фиг.2). Для этого сигналО от датчика 9 подается на первоезвено 10 ограничения порог открывания которого выбирается пропорциональным сумме величин Гсри Гу,"ледовательно выходное напряжениеОсоответствует величине ЬГ == Г(с) - (Г + Гу ). Сигнал О 40 поступает далее на звено 11 запоминания максимального значения, какимможет быть, например, последовательно соединенные диод, резистор и конденсатор. Фиксация наибольшего значения выходного напряжения О. звена11 производится до тех пор, йоканапряжение О не снизится до величифны соответствующей значению Гине сработает соответственно настроен 55ный релейный элемент 12, которыйподает команду на считывание зафиксированного напряжения, пропорционального величине ЬГС = Гх- (Гср+ 17 8+ Гу). Выходное напряжение О звена44 11 подается затем на квадратор 13, где оно возводится в квадрат и в виде импульса напряжения О задан 3 ной длительности дС поступает на, первое звено 14 текущего усреднения (им может служить инерционное звено), выходное напряжение О которого пропорционально поэтому интенсивности 3(ьГ ) перегрузок механизма, После считывания происходит сброс на нуль напряжения О звена 11, вследствие чего оно оказывается подготовленным к запоминанию следующего максимума.Действием звеньев 16-18 совместно с датчиком 9 усилия и датчиком 8 скорости осуществляется вычисление средней мощности копания, А именно, сигнал от датчика 9 усилия подается на второе звено 18 ограничения, уровень открывания которого соответствует сумме сил трения и веса ковша и поэтому его выходное напряжение пропорционально усилию копания. С помощью звена 17 перемножения оно умножается на напряжение датчика 8 скорости, что дает сигнал, соответствующий мощности копания И Сигнал произведения поступает на второе звено 16 текущего усреднения, выходное напряжение которого дает меру текущей средней мощности М, развиваемой двигателем при копании.Напряжение с выхода первого звена 14 усреднения, пропорциональное интенсивности 3 потока перегрузки, подается на сумматор-ограничитель 15 со знаком "минус" и направлено на уменьшение тока отсечки привода, а выходной сигнал второго звена 16 ограничения, пропорциональный средней мощностикопания К имеет, на 1 с)оборот, положительную полярность и действует в сторону увеличения тока отсечки, Кроме того, статическая характеристика звена 15 формируется так, чтобы при работе в расчетномрежиме, когда,3 . =,З,и Мк = Мк, его выходное найряжение было равно нулю. При этом сигнал самонастройки О (напряжение на выходе сумматора16) пропорционален величине А, характеризующей отклонение данного режима работы от расчетного. В рассматривающемся режиме участившихся перегрузок устройство управления работает таким образом.9 904При увеличении интенсивности перегрузок Э сигнал на выходе первого звена 4 текущего усреднения возрастает, вследствие чего выходноенапряжение сумматора 15 становитсяотрицательным. Поступая на управляющий вход звена 6 ограничения тока,оно вызывает уменьшение тока отсечки привода. При этом напряжение навыходе звена 6, являющееся сигналом 10обратной связи по току якоря, появляется при меньшем значении напряжения датчика 7 тока, вызывая болеесильное ограничение якорного тока,вращающего момента двигателя 1 и 15усилия в трансмиссии 2, что, в частности, приводит к уменьшению ин-тенсивности перегрузок д . Такимобразом, в рассматриваемом случаесхема управления работает как система автоматического регулированиявеличины,1, стремясь поддерживатьее на уровне, близком к расчетномузначению%При переходе механизма в легкий 25режим работы и уменьшении интенсив-ности перегрузок напряжение на выходе первого звена 14 текущего усреднения снижается, следовательно,сигнал самонастройки 1 становится :щположительньм, вызывая увеличениетока отсечки. Максимальное значениевыходного напряжения положительногознака сумматора 15 при этом ограничивается, например, с помощью стабилитрона в цепи обратной связи усилителя, подобным образом ограничивается выходное напряжение суьйкатора5 и при отрицательной его полярности. О 17 2. Устройство управления копающиммеханизмом экскаватора, содержащееприводной двигатель с преобразователем н системой управления, соединенной с датчиком якорного тока череззвено ограничения тока, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено датчиками скорости и усилия, двумя звеньями ограничения, релейным элементом, звеном запоминания максимального значения, квадратором, звеном перемножения двумя звеньями текущего усреднения и сумматором- ограничителем, причем датчик усилия через первое звено ограничения соединен со звеном запоминания максималь- ф ного значения, управляемый вход кото.рого через релейный элемент подключен к датчику усилия, а выход через последовательно соединенные квадратор и первое звено текущего усредне-, ння соенинен с первым входом сумматора-ограничителя, второй вход которого через второе звено текущего усреднения подключен к выходу звена перемножения, одним входом соединенным с датчиком скорости, а вторым через второе звено ограничения - с датчиком усилия, причем выход сумматора- ограничителя связан с управляющим 1 входом звена ограничения тока. 55 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 40Таким образом, путем самонастройки величины тока отсечки в системе управления приводом копающего механизма осуществляется его адаптация к изменяющимея внешним условиям, повышается точность и надежность правления копающим механизмом. При этом достигается увеличение ожидаемой эксплуатационной производительности экскаватора либо за счет огра 50 ничения перегрузок, а следовательно, повышения надежности, либо вследст,вие сокращения времени черпания. Формула изобретения1. Способ управления копающим механизмом экскаватора, основанный на изменении величины тока отсечкиприводного двигателя путем измерениявеличины якорного тока и сравненияего с заданной величиной и изменениискорости вращения двигателя пропорционально величине рассогласования,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью повышения точности и надежности управления копающим механизмомэкскаватора, измеряют превышение пиковых значений усилия в 44 еханиже надзаданным уровнем, определяют среднеквадратичное значение укаэанных превышений, одновременно измеряют вели-.чину средней мощности двигателя,определяют разность между. среднеймощностью двигателя и среднеквадратичным превышением пиковых усилиЛнад заданньи уровнем и изменяют ве-.личину тока отсечки приводного двигателя, уменьшая ее при отрицательном значении разности и увеличиваяпри положительном значении разности.90 4.1 7 111. Крайцберг М,И, Электроприводыстроительных машин и механизмов. М.,Госэнергоиздат, 1958, с. 13, 78. 122. Авторское свидетельство СССР 984615, кл. Н 02 Р 5/00, 1949 (прототип).901417 Составитель А.Ромашенковдактор А.Власенко Техред Т. фанта КорректорН.Ст Заказ 12 1130 ектная, 4 Патент", г. Ужгород, ул Филиал Гу Р б е Йаф 1/30 Тираж 710ВНИИПИ Государственного комитепо дедам изобретений и откры 5, Москва, Ж, Раушская наб.,ПодпиСССРЮ