Регулятор нагрузки горной машины

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 116732 ИЯБРЕТ М.ГПогибкЗлодеев ственное объедивыпуску средств машин "Авто 2(088.8) нагрузки омбайнов ство по э01.РЗ, Д видетельс С 05 В 11 в идет ел ьс Е 21 С 35 ПРИЗ для буровьмсплуатаци нецк, 198 во СССР00, 1983.во СССР 24, 1977. ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ОПИСАНИЕ . К АВТОРСКОМУ С(71) Научно-произвонение по созданию иавтоматизации горныхматгормаш"(54)(57) РЕГУЛЯТОР НАГРУЗКИ ГОРНОЙМАШИНЫ, содержащий датчик нагрузки,задатчик уставки, блок коррекцииуставок. два элемента ИЛИ, выходпервого из которых соединен с первым входом первого блока сравнения,релейный усилитель, первый выходкоторого подключен к входу блокауправления горной машины, а такжеблок безынерционной защиты, выходкоторого подключен к входу блокаинерционной защиты, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью стабилизации направления бурения путемувеличения быстродействия автоматического регулирования при искривлении скважины и уменьшения динамических нагрузок, он снабжен инерционным блоком, датчиком пиковых наруэок, датчиком холостого хода,задатчиком уставок защиты, задатчиком порога, пороговым элементом,генератором импульсов, блоком коррекции эоны нечувствительности,реле, а также вторым блоком сравнения, третьим и четвертым элементами ИЛИ и фильтром нижних частот,причем первый выход датчика пиковыхнагрузок соединен с первым входомгенератора импульсов, выход которогоподключен к входу задатчика порогаи к первому входу второго элементаИЛИ, выход которого связан с первымвходом второго блока сравнения, выход которого соединен с входом релейного усилителя, первый и второй выходы которого подключены к первомуи второму входам блока коррекцииуставок, выход которого подключенк первому входу третьего элементаИЛИ, второй вход которого соединенс задатчиком уставки, а выход подключен к второму входу первого блока сравнения и к первому входу датчика пиковых нагрузок, второй выходкоторого подключен к третьему входублока коррекции уставок, выход блока управления горной машины соединенчерез датчик нагрузки с фильтромнижних частот, выход которого подключен к первому входу блока безинерционной защиты, через инерционныйблок - к второму входу датчика пиковьм нагрузок, а также к входу порогового элемента, к первому входупервого элемента ИЛИ и к входу датчика холостого хода, первый выходкоторого соединен с вторым входомпервого элемента ИЛИ, второй выходс третьим входом третьего элемента ИЛИ, третий выход - с четвертым1167325 входом блока коррекции уставок,а четвертый выход датчика холостого хода соединен с первым входомчетвертого элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу блока безынерционной защиты,. выходкоторого подключен к реле, выход реле и выход блока инерционной защиты соединены соответственно с вторым и третьим входами блока управления горной машиной, при этом заИзобретение относится к автоматизации управления горными машинами и может быть использовано для автоматического регулирования нагрузки буровых машин, бурильных установок, проходческих и очистных комбайнов.Целью изобретения является стабилизация направления бурения скважины и повышение производительности горной машины путем увеличения быстродействия САР нагрузки горной машины при искривлении скважины и уменьшения динамических нагрузок, а также подцерживания максимального значения скорости бурения во всех режимах работы горной машины.На фиг. 1 представлена блок-схема регулятора нагрузки горной машины; на фиг. 2 - примеры конкретной реализации некоторых блоков устройства, в том числе принципиальная схема генератора импульсов с пороговым элементом и задатчиком порога.Регулятор содержит датчик 1 нагрузки, фильтр 2 нижних частот; первый логический блок ИЛИ 3, первый блок 4 сравнения, второй блок 5 сравнения, релейный усилитель б, содержащий усилитель 7 и трехпозиционный релейный блок 8, блок 9 управления горной машины, включающий сервопривод 10, соединительную муфту 11, гидродроссель 12, гидравлическую систему 13 подачи, предназначенную для создания необходимого усилия подачи на буровом ставе 14, испол 5 10 15 20 25 30 35 датчик уставки защиты подключенк второму входу четвертого элемента ИЛИ, первый выход релейного усилителя соединен через блок коррекции зоны нечувствительности с вторым входом второго элемента ИЛИ,выходы задатчика порога и порогового элемента связаны с вторымвходом генератора импульсов, а выход первого блока сравнения связан свторым входомвторого блока сравнения. 2нительный орган 15, электропривод 16, предназначенный для создания момента на буровом ставе 14 и на исполнительном органе 15, электропривод 17 системы подачи, предназначенный для вращения гидронасоса 18, который предназначен для осуществления подачи масла в гидравлической системе 13 подачи. Исполнительный орган 15 предназначен для разрушения массива 19, блок 20 коррекции зоны нечувствительности, предназначенный для преобразования знакопеременных сигналов с выхода релейного усилителя 6 в сигнал постоянного тока и состоящий из триггера 21, дифференцирующего блока 22, инерционного блока 23. Кроме того, регулятор содержит второй логический блок ИЛИ 24, блок 25 коррекции уставки, предназначенный для преобразования знакопеременных импульсов релейного усилителя 6 в сигнал постоянного тока и содержащий триггер 26, дифференцирующий блок 27, инерционный блок 28. На выходе блока 25 коррекции уставки установлен третий1 логический блок ИЛИ 29, к второму входу которого подключен задатчик уставки 30, к одному из входов блока коррекции уставок подключен датчик 31 пиковых нагрузок, содержащий пороговый элемент 32, реле 33. Регулятор содержит также инерционный блок 34, датчик 35 холостого хода, содержащий дифференцирующий блок 36, инерционный блок 37, пороговый элемент 38, задатчик 39 отсечки,167325 4 1 О 15 20 25 35 40 45 50 55 30 3 1блок 40 задержки. В состав регулятора входят также четвертый логический блок ИЛИ 41, задатчик 42 уставки защиты, блок 43 безынерционной защиты, реле 44, блок 45 инерционной защиты, пороговый элемент46, задатчик 47 порога, генератор48 импульсов, а также входящие всостав различных блоков резисторы49-60, емкости 61-65, диоды 66-72,стабилитроны 73, 74, резисторы75-81, емкость 82, диоды 83-85 изамыкающие контакты 86, 87. Пороговые элементы 32, 38, 46 и блок 43безынерционной защиты реализованына компараторах, блок 45 инерционной защиты - на реле времени.Регулятор нагрузки работает следУющим образом,Нагрузка на исполнительном органе 15 через буровой став 14 передается на электропривод 16. Датчик1 нагрузки измеряет нагрузку электропривода 16, а фильтр нижних частот 2 из всего спектра частот нагрузки выделяет рабочий низкочастотный сигнал в диапазоне 0-0,5 Гц, который поступает на вход датчика 35холостогб хода. Пока электропривод16 работает в режиме холостого хода, его нагрузка практически постоянная, поэтому на вход датчика35 холостого хода в этом случае поступает сигнал практически постоянно"го тока. Он не проходит через дифференцирующий блок 36, а следовательно, на выходе инерционного блока 37 сигнал равен нулю. При этомсигнал задатчика отсечки 39 переключает пороговый элемент 38 в состояние логической единицы, что и характеризует наступление режима холостого хода в САР. При этом черезпервый блок ИЛИ 3 сигнал логическойединицы поступает на первый блок 4сравнения, где он вычитается из сигнала третьего блока ИЛИ 29, Сигналлогической единицы выбирается вышесигнала задатчика 30 уставки и выходного сигнала блока коррекции уставки 25, поэтому пока не зарядитсяемкость С 64 датчика холостого ходапо цепи выход порогового элемента38 - диод Ч 70 - резистор К 57до напряжения логической единицы,на выходе первого блока 4 сравнения сигнал отрицательный; При этомна выходе второго блока 5 сравнения сигнал также отрицательный ипо уровню, превышающий зону нечувст.вительности релейного усилителя 6,Трехпозиционный релейный блок 8 может устанавливаться в одно из трехсостояний: наброса (+1), сброса (-)и нейтральное (О) в зависимостиот величины и знака сигнала рассогласования, поступающего с второго блока 5 сравнения. Так как при холостом ходЕ на выходе второго блока 5 сравнения сигнала отрицательный, то на выходе релейного усилителя присутствует сигнал -1. Приэтом сервопривод 10 начинает вращать муфту 11 гидродросселя 12 всторону его закрывания, что уменьшает расход масла в гидравлическойсистеме 13 подачи, при этом происходит уменьшение скорости подачи,а также осевого усилия на буровомставе 14, благодаря чему сила прижатия исполнительного органа 15 кмассиву 19 уменьшается, что вызывает соответственное уменьшение крутящего момента на электроприводе 16.После того, как напряжение на емкости С 64 достигнет уровня логическойединицы, на выходе первого 4 и второго 5 блоков сравнения сигналы рассогласования равны нулю, при этомна выходе релейного усилителя 6 сигнал также равен нулю и сброс нагруз"ки прекращается. Время сброса выбирается равным 15-303 от времени полного открывания гидродросселя 12,это обеспечивает соответствующееуменьшение скорости подачи (уменьшение нагрузки) перед забуриванием,что, как показали испытания, являет"ся достаточным для безударного внедрения исполнительного органа 15 вмассив 19, Уменьшение этого времени может привести к удару при забуривании, а его увеличение приводитк неоправданным потерям времени, чтоне позволяет достигнуть и в том вв другом случае поставленной цели.Сигнал логической единицы на выходевторого порогового элемента 38 поступает на третий вход блока 25 коррекции уставки и через диод Ч 68,резистор К 54 заряжает емкость С 62до напряжения стабилизации стабилитрона Ч 73, при этом ва выходе третье.го логического блока ИЛИ 29 устанавливается уставка, соответствующаяноминальной нагрузке горной машины.5 О 15 20 25 30 50 Выходной сигнал на емкости С 64 датчика 35 холостого хода поступает на четвертый логический блок ИЛИ 41 и с него - на вход блока 43 безынерционной защиты. Так как этот сигнал по уровню соответствует логической .единице (после заряда емкости С 64), то блок 43 безынерционной защиты при этом находится в состоянии логического нуля, и срабатывание защиты блокируется.После внедрения исполнительного органа 15 в массив 19 нагрузка на электроприводе 16 возрастает, но существенно в большей мере возрастает амплитуда ее колебания относительно некоторого среднего значения, При холостом ходе она практически равна нулю, а после внедрения исполнительного органа 15 носит случайный характер, связанный со случайным характером разрушения массива 19Эта случайная составляющая преобразуется, проходя дифференцирующий блок 36 и инерционный блок 37 в сигнал постоянного тока, который сравнивается по уровню с сигналом задатчика 39 отсечки, величина которого выбирается такой, чтобы при холостом ходе его уровень был выше сигнала на выходе инерционного блока 37, а так как при холостом ходе он равен практически нулю, то уставка отсечки может быть выбрана в пределах 5-107 от номинального тока электропривода 16, Как показали промьппленные испытания, этого уровня достаточно для надежного определения наличия или отсутствия холостого хода. Если этот предел уменьшить, то начинает сказываться влияние помех, если увеличить, то уменьшается рабочий диапазон регулирования нагрузки (от уровня холостого хода до номинального), что не позволит своевреМенно перевести гидравлическую систему 13 подачи горной машины в режим холостого хода и из режима холостого хода -. в режим забуривания.Как только сигнал постоянного тока достигает уставки отсечки задатчика 39 отсечки, пороговый элемент 38 переключится в состояниелогического нуля. При этом с выдержкой времени, определяемой постоянной времени разряда емкости С .64по цепи резистор К 58 - диод Ч 71 - выход порогового элемента 38 на землю происходит снятие блокировки с блока 43 безынерционной защиты. На выходе третьего логического блока ИЛИ 29 устанавливается уставка, соответствующая номинальной нагрузке горной машины, которая при забуривании оказывается выше сигнала с фильтра 2 нижних частот, поэтому на выходе первого блока сравнения 4 ошибка рассогласования положительная, На втором блоке 5 сравнения из нее вычитаются сигналы с генератора 48 импульсов, которые приводят к работе релейного усилителя 6 в импульсном режиме, причем импульс +1 появляется тогда, когда на выходе генератора 48 импульсов пауза и наоборот, При этом сервопривод 9 начинает вращаться в сторону увеличения подачи, что приводит к росту осевой нагрузки на исполнительном органе 15, а следовательно, к росту нагрузки электропривода 16. Напряжение на выходе Фильтра нижних частот при этом растет и как только нагрузка на электроприводе 16 достигает величины 0,3-0,5 номинальной задаваемой задатчиком 47 порога, срабатывает пороговый элемент 46 и изменяет скважность импульсов генератора 48 импульсов таким образом, что ко-Р эффнциент усиления регулятора увеличивается на 40-503. При этом скорость подачи увеличивается, что сокращает время выхода на заданный номинальный режим работы.Возможность такого увеличения обусловлена тем, что при внедрении исполнительного органа 15 в массив 19 изменяются условия его закрепления. При этом критическая по устойчивости бурового става 14 осевая нагрузка, определяемая по Формуле Эйлера, увеличивается минимум в два раза.Сигнал +1 на выходе релейного усилителя 6 (Л 1) производят разряд емкости С 62 блока 25 коррекции уставки, При этом сигнал на выходе третьего блока ИЛИ 29 уменьшается. Как только он сравнивается с сигналом на выходе фильтра 2 нижних частот, на выходе первого блока 4 сравнения в некоторой последовательности появляются сигналы разных знаков, которые вызывают на выходе релейного усилителя 6 знакопеременные импульсы (+, -1), появление ко-торых указывает на соответствиеуставки уровню нагрузки горной машины. Пока на выходе релейного усилителя б следуют сигналы одного зна.ка, триггер 26 находится в одномиз своих устойчивых состояний ("0"или "1") и на выходе дифференцирующего блока 27 сигнал отсутствует,но так только в некоторой, как правило, случайной последовательностиначинают появляться разнополярныеимпульсы на выходе релейного усилителя 6, триггер 26 начинает переключаться с частотой следования зна"копеременных сигналов. При этом импульсные сигналы с выхода триггера26 проходят дифференцирующий блок27,преобразуются в последовательность знакопеременных импульсовтипа дельта-функций. Эти сигналы,проходя через диод Ч 69, резисторК 53, замкнутый контакт реле 33 дат"чика 3 1 пиковых нагрузок, преобразу"ются на емкости С 62 в сигнал постоянного тока, величина которого зависит от частоты следования знакопеременных импульсоВ на выходе релейного усилителя 6 (чем выше частота их следования, тем выше сигнал постоянного тока, тем выше выходной сигнал блока коррекции уставки 25, а,следовательно, и блока 20 коррекции зоны нечувствительности, работающего аналогично и подключенного к релейному усилителю 6 ,по цепи отрицательной обратной связи). Постоянная времени заряда емкости С 62 выбирается таким образом, чтобьг напряжение на ней было выше, чем на емкости С 65 при одновременном жс заряде, что обеспечивает при росте уставки нулевую зону нечувствительности релейного усилителя, так как отрицательная обратная связь релейного усилителя в этом случае компенсируется положительной, в которую включен блок 25 коррекции уставки. Нулевая зона в САР горных машин, как правило, вызывает автоколебания, которые приводят к дальнейшему появлению на выходе релейного усилителя 6 знакопеременных импульсов, а следовательно, к дальнейшему росту уставки. С ростом уставки возрастает нагрузка на исполнительном органе 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 15 горной машины, Как показываютосциллограммы нагрузок горных машин, с увеличением среднего уровня растет амплитуда колебания нагрузки вокруг среднего значения.Среднее значение нагрузки соответствует при этом уставке, которая поступает на пороговый элемент 32 датчика 31 пиковых нагрузок, на другой вход которого поступает сигналпостоянного тока, пропорциональный амплитуде и длительности пиковых нагрузок с фильтра 2 нижнихчастот. При достижении заданной величины пиковых нагрузок (соответствующих максимальному коэффициентувариации, который выбирается не более 0,2) датчик 31 пиковых нагрузок переводится в состояние логической единицы. При этом срабатывает реле 33 и своим контактом 33разрывает цепь заряда емкости С 62;блока 25 коррекции уставки, Сигналлогической единицы датчика 31 пиковых нагрузок, кроме того, переводит генератор 48 импульсов в состояние логического нуля, чем обеспечивается перевод САР в релейный режим работы. При этом начинается стабилизация нагрузки на достигнутом уровне, т.е. с максимальным коэффициентом усиления САР,Этим обеспечивается максимальноебыстродействие. Однако устойчиваяработа при этом не может быть дос"тигнута из-за автоколебаний. Автоколебания вызывают появление навыходе релейного усилителя 6 знакопеременных импульсов, которые приводят к дальнейшему росту напряжечия на выходе блока 20 коррекциизоны нечувствительности, пока указанная отрицательная обратная связьне уменьшит коэффициент усиленияусилителя 7, что эквивалентно расширению зоны нечувствйтельностирелейного усилителя б, Как толькоавтоколебания исчезают, на выходерелейного усилителя 6 исчезают энакопеременные импульсы а следовательно,напряжение на емкости С 65 начинаетуменьшаться по цепи разряда на резистор К 60. При этом коэффициент усиления релейного усилителя 6 вновьувеличивается, пока вновь не появятся автоколебания,Таким образом, стабилизация нагруз.ки происходит с коэффициентом уси 1167325 10ления САР близким к границе устойчивости, где качественные показателисистемы наилучшие. При этом дисперсия нагрузки достигает минимума.Уменьшение дисперсии приводит к тому, 5что коэффициент вариации нагрузкитакже уменьшается, что приводит куменьшению заряда емкости С 61, таккак она разряжается на сопротивление К 49. При снижении дисперсиинагрузки ниже заданной величины пороговый элемент 32 переводится всостояние логического нуля, чтовновь восстанавливает цепь зарядаемкости С 62, блока коррекции уставки, которая может увеличиватьсядо уровня, на котором достижима стабилизация с заданным коэффициентомвариации. Если на более высоком уровне стабилизация не достигнута с заданным коэффициентом вариации нагрузки, то на выходе релейного усилителя 6 в какой-то последовательности появляются импульсы наброса+1, а так как датчик 31 пиковых нагрузок при этом находится в состоянии +1, то уставка только уменьша"ется, что приводит к уменьшению среднего значения нагрузки, а следовательно, и ее дисперсии. Таким образом, номинальная нагрузка, соответствующая уставке при заданном допустимом коэффициенте вариации,выбирается автоматически. Это обеспечивает независимо от параметровгорной машины и крепости массива19 максимальную при заданных ограничениях производительность горноймашины. Ограничение коэффициентавариации нагрузки обеспечивает ктому же стабилизацию направлениябуренияЕсли в процессе работы горной машины происходит перегруз электропривода 16 так, что нагрузка становится равной 2-3-кратной от номинальной, то срабатывает блок 43 безынерционной защиты и реле 44, которое отключает электропривод системы 17 подачи, при этом подача становится равной нулю. Еслй нагрузка на исполнительном органе 15 не уменьшается, то блок 45 инерционной защиты с выдержкой времени 1,5- у 2,5 с после срабатывания блока 43 безынерционной защиты отключает электропривод 16. Если происходит запуск электро- привода 16 в работу, то пусковой ток переводит датчик холостого хода в состояние нуль. Однако блок безынерционной защиты при этом не срабатывает, так как емкость С 64 разряжается с постоянной времени, обеспечивающей в этом случае блокировку блока 43 безынерционной защиты еще в течение 1-2 с, что достаточно при нормальном запуске электропривода 16. Если же запуск не состоится, например, при заштыбовке исполнительного органа 15, то через указанное время срабатывает блок 43 безынерционной, а затем и блок 45 инерционной защиты. Это позволяет предотвратить отключение электропривода системы 17 подачи при запуске электропривода 16, следовательно, сократить потери времени на эту операцию, что повышает производительность горной машины. Постоянные времени зарядно-раз-. рядных цепей инерционных блоков выбираются на основании следующих положений. Колебания уставки должны быть с частотой на порядок ниже средней рабочей частоты системы. Этим устраняется ее раскачка по уставке. В той же мере это относится как качественно, так и количественно к параметрам расширения зоны нечувствительности. Принимая рабочую частоту 0,2 Гц, рассчитываем зарядно-разрядные цепи емкостей С 62 и С 65 на частоту среза 0,02 Гц.При этом постоянную времени наброса уставки выбираем на порядок выше, чем постоянную времени сброса, так как наброс уставки должен успевать следовать за набросом нагрузки, а следовательно, соответствовать ее рабочей частоте. Аналогично и для постоянной времени заряда емкости С 65, так как в противном случае расширение зоны нечувствительности происходит медленно и САР длительное время находится в автоколебательном режиме. Постоянная времени разряда емкости С 63 выбирается таким образом, чтобы после запуска электропривода 16, несмотря на наступление холостого хода еще в течении 6-9 с, происходило увеличение подачи горной машины. Если в течении этого времени исполнительный орган 15 не внедряется в массив 19, то САР переключается в режим холостого хода и уменьшает подачу на 15-ЗОБ. Время 5 (6-9 с) определено при испытаниях горных машин с регулятором нагрузки и является необходимым и достаточным для безударного подвода исполнительного органа 15 к массиву 19. При переводе горной машины из рабочего режима в режим холостого хода в течении 2,5 с пороговый элемент 38 еще находится в состоянии логического нуля. Это необходимо для того, чтобы датчик 35 холостого хода не переключался с рабочей частотой из одного положения в другое (из 0 в 1). Влияние пусковых токов электропривода 16 на датчик 35 холостого хода ограничивается стабилитроном Ч 74, напряжение его отк,рывания определяет максимальный заряд на емкости С 63 при запуске электропривода 16.25При выборе постоянных зарядноразрядных цепей инерционного блока 34 необходимо дополнительно учесть, что коэффициент вариации нагрузки не должен превышать 0,2. Так как ЗО нагрузка по доказанному соответствует уставке, то на выходе фильтра 2 нижних частот средний уровень нагрузки равен выходному сигналу третьего блока ЙЛИ 29, который поступает как уставка на пороговый элемент 32, поэтому для того, чтобы на втором его входе вариация нагрузки до его срабатывания не превышаала величины 0,2 между резисторами К 49 и К 50 должно быть выполненосоотношение: К 49 равно или большечетырех К 50. Постоянная разрядаемкости С 61 должна быть такой, чтобы на все время необходимое для 45стабилизации нагрузки пороговый элемент 32 был в состоянии логическойединицы, Практика показывает, что для существующих САР горных машин это время не превышает 10 с. При реа" лизации устройства указанная постоянная времени принималась равной 40 с. При этом обеспечивалась стабилизация нагрузки.Пороговый элемент 46 реализован на диоде Ч 83, который открьвается при достижении входного сигнала с выхода фильтра 2 нижних частот, соответствующего задатчику 47 порога, собранного на резисторах К 79-81, а генератор импульсов реализован на операционном усилителе, имеющем прямой (+) и инверсный (-) входы.Генератор 48 импульсов запускается в работу подачей напряжения. При этом на его выходе появляется сигнал логической единицы. Этотсигнал по цепи отрицательной обратной связи заряжает емкость С 82.Когда напряжение на ней достигнет напряжения на выходе задатчи - ка 47 порога, на выходе генератора 48 импульсов устанавливается логический ноль, при этом емкость С 82 разряжается на резистор К 75, пока напряжение на ней не станет ниже напряжения на выходе задатчика порога. Тогда вновь происходит переключение генератора 48 импульсов в сос" таяние логической единицы. При открьвании диода Ч 83, которое происходит, когда уровень входного сигнала с фильтра 2 нижних частот достигает величины 0,3-0,5 от номинальной нагрузки гарной машины, увеличивается напряжение на прямом входе операционного усилителя генератора 48 жщульсов, что приводит к измененщо скважности его импульсов.При срабатьвании датчика 31 пиковых нагрузок сигнал логической единицы поступает на инверсный вход операционного усилителя и запирает его. При этом на выходе генератора 48 щпульсов устанавливается также нулевой сигнал../407 д 57Составитель Р. Гладундактор Н. Швыдкая . Техред С.Мигунова Лугова орректо 4 Заказ 5063 ВНИИПИ Государств по делам изоб 113035, Москва, ЖТира ного одпис но а СС ытий мит етении, Рау о кая Фили ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проект