Способ автоматического управления процессом копания на одноковшовых экскаваторах и устройство для его осуществления

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 200581 (21) 3304471/29-03 Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик р 11977623 И М. Кп.з с присоединением заявки Мо Е 02 Р 9/20 Государственный комитет СССР ао делам изобретений и открытий.34(088,8)Ю.Я. Вуль, Г.А, Горбачев, Н.А, Серов, Ю,В. СимсЬоЪЮ.Т. Калашников, М.М. Кошевой, Э.И. Чувпило, ВВ, ОльхЪвкков,А. В. Кошкарев и Е,М. СадовниковНаучно-исследовательский институт тяжелого ма)аММфстФЬЬнияПроизводственного объединения "Ново-Краматоркиймашиностроительный завод",Научно-исследоватеьскиф йнстйтуттяжелого машиностроения Производственного объедцнейиУралмаюн : .и Государственный проектно-конструкторский и на 7 чнС; ." .,исследовательский институт по автоматизации угольной-,промышленности Гипроуглеавтоматизация(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КОПАНИЯ НА ОДНОКОВШОВЫХ ЭКСКАВАТОРАХ И УСТРОИСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к копающим механизмам одноковшовых экскаваторов и может быть применено для автоматизации процесса копания на экскаваторах-лопатах и драглайнах с элект роприводом постоянного тока копаю- щего и регулирующего механизмов,Известен способ автоматического управления процессом копания на одноковшовых экскаваторах, при котором измеряют величину тока главной цепи копающего механизма и после достижения заданного уровня тока изменяют величину подачи регулирую" щего механизма в функции величины отклонениятока главной цепи копаю- щего механизма от заданного значения. При этом величину якорного тока поддерживают близкой,к заданному значению со статиэмом, определяемым величиной коэффициента усиления системы автокопания 1).Использование этого способа не обеспечивает эффективного управления процессом копания, особенно в забоях с неоднородным грунтом, иэ-за запаздывания воздействия на регулирую" щий механизм (механизм напора в экскаваторах-лопатах), определяемого инерционностью привода копающего ме-. ханиэма (механизма подъема в экска-ваторах-лопатах)Действительно,приуправлении в функции тока главнойцепи привода подъема воздействие намеханизм напора осуществляют толькопосле изменения скорости двигателяподъема, для чего необходимо определенное время, тем большее, чем больше инерционность двигателя и механизма подъема и чем меньше величинаускорения.Основанные на укаэанном способе.опытные образцы устройств автокопания применяют на экскаваторах-лопатах ЭВГ, ЭВГИ, ЭКГ. При ис.пытаниях этих устройств обнаружено,что система автокопания работаетудовлетворительно только в забоях 20 бжней и средней удаленности соднородным грунтом, В забоях с неоднородными грунтами после обхода непреодолимого препятствия привод на, пора не.успевает вторично заглубитьковш.Устройство для осуществленияспособа оказывает непрерывное (недискретное) воздействие на приводмеханизма напора после достижениязаданного уровня тока главной цепи 3 О привода подъема, осуществляет управ977623 мн такой системы автокопания наэкскаватбреВ устройстве, предназначенном дляавтоматизации копания экскаваторовдраглайнов, предусмотрено изменениенатяжения канатов подъема (регулирующего механизма) в процессе копания в функции пути, проходимого канатами механизма тяги (копающегомеханизма), что является его достоинством.Основной недостаток устройстваопределяется недостатком примененного способа автокопания, а именнонеобходимостью управления велйчинойподачи регулирующего механизма (величиной угла поворота подъемнойлебедки или усилия в канатах механизма подъема) в функции малыхотклонений усилия в канатах механизма тяги от заданного уровня.Удовлетворительная работа такойсистемы автокопания возможна, например, в тех случаях, когда необходимолишь регулирование толщины стружкипри копании в забоях с однороднымгрунтом.При работе в забоях с неоднородным грунтом .и больших отклоненияхусилия в канатах копающего механизмаот величины уставки, например пристолкновении ковша с труднопреодолимым препятствием, когда необходимобход препятствия за счет сравнительно небольшого изменения подачи(усилия в канатах) регулирующего механизма, управление процессом автокопания также оказывается неэффективным. действительно, величина, усилия в канатах копающего механизма(усилия. отсечки), при котором вступает в работу система автокопания,должна быть достаточно велика, чтобыпреждевременно не уменьшать величинустружки и обеспечить хорошее заполнение ковша,. При сравнительно большой величинеусилияотсечки и принятом способеавтокопания величины коэффициентаусиления и быстродействия системыавтокопания в канале воздействия напривод регулирующего механизма приналичии ограничений, накладываемыхусловиями устойчивости, оказываютсянедостаточными для обхода препятствия и вторичного заглубления ковша.Наиболее близким к.изобретениюпо технической сущности являетсяспособ автоматического управленияпроцессом копания на одноковшовыхэкскаваторах с электроприводом постоянного тока механизма подъема имеханизма напора, основанный наизмерении величин усилия и.производной усилия в упругих элементах механизма подъема, суммировании этихвеличин и изменении величины подачимеханизма напора после достижения ление приводом напора в процессеавтокопания с малой эффективностью,так как в нем предусмотрено лишьуменьшение усилия на рукояти, раз"виваемое механизмом напора,Известен также способ автоматического управления процессом копанияна.одноковшовых экскаваторах, прикотором измеряют величину усилия в,упругих элементах (канатах) копающего механизма и после достижения зара нее заданного уровня усилия изменяютвеличину подачи регулирующего меха"ннзма в зависимости от величиныотклонения усилия в канатах копающего механизма,от заданного уровня,который реализуется устройством дляавтоматизации процесса копания экскаваторов-.драглайнов 2(.ВО Втсрсм из двУх упомянУтых спо-собов автокопания устранен недостаток первого способа благодаря Устра",нению запаздывания воздействия нарегулирующий механизм, определяемогопри использовании первого способа,инерционностью привода копающего механизма,Общий недостаток обоих способовавтокопания заключается в том, чтопри их использовании автоматическоеуправление процессом копания происходит только в динамических режимах. торможения и разгона копающего механизма, находящегося под воздействием переменного по частоте и амплитуде возмущения со стороны забоя,так как система автокопания реаги- З 5рует только на отклонения или токаглавной цепи (первый способ), илиусилия в канатах копающего механизма (второй способ) от заданныхзначений и не реагирует на отклонения скорости копающего механизмаот заданного значения.Поэтому удовлетворнтельная работасистемы автокопания, основанная наиспользовании любого из двух упомянутыхспособов, возможна лишь нрисущественных отклонениях усилия вканатах копающего механизма от заданного значения. При малых отклонениях нагрузки копающего механизма(тока главной цепи или усилия в канатах) от величины уставки, при которых возможны существенные изменения скорости копающего механизма(особенно при малой жесткости участка ограничения момента статическойхарактеристики привода копающегомеханизма),система автокопанияне обеспечивает эффективного управ"ления регулирующим механизмом дляподдержания заданной скорости кона Ония, В этом случае при работе взабое с однородным грунтом возможендлительный процесс копания с пониженной скоростью по сравнению,с заданной, что подтверждается испытания) 65заданного уровня суммой этих величинусилия и производибй усилия в упругих элементах механизма подъемапри наличии переменного возмущающеговоздействия на механизм подъема.Устройство для осуществления способасодержит регулируемые электроприводыпостоянного тока механизма подъемаи механизма напора, соединенныепоследовательно датчики усилия ипроизводной усилия в канатах механизма подъема и подключенные к сум матору, и ключевой элемент3.Известныйспособ обладает двумясущественными недостатками.Во-первых, использование этогоспособа при работе в однородномгрунте обуславливает возникновениеустановившегося режима копания спонйженной скоростью по сравнениюс заданной,Во-вторых, применение способапри работе в неоднородном грунтене обеспечивает своевременный обходпрепятствия с последующим заглублением ковша,Устройство для осуществленияэтого способа обладает еще одним существенным недостатком, а именно,в этом устройстве отсутствует ограничение скорости привода напора приработе системы автокопания, так какцепь, соединяющую регуляторы скорости и тока, разрывают при включенииузла автокопания с помощью ключа.Цель изобретения - повышение точ.ности управления за счет поддержания оптимальной скорости механизмаподъема и снижение длительности копания при увеличении заполнения ковшаеПоставленная цель достигаетсятем, что в способе автоматическогоуправления процессом копания на одноковшовых экскаваторах с электроприводом постоянного тока механизмов напора и подъема, основанном наизмерении величины усилия и производной усилия в упругих элементахмеханизма подъема, суммированииэтих величин и изменении величиныподачи механизма напора после достижения заданного уровня суммой величин усилия и производной усилия вупругих элементах механизма подъемапри наличии переменного возмущающеговоздействия на механизм подъема,дополнительно задают величину скорости механизма подъема, измеряютвеличины скорости, ускорения и производной ускорения механизма подъема,сравнивают заданную и фактическуювеличины скорости копающего механизма и изменяют величину подачи механизма напора при уменьшении скорости механизма подъема по сравнениюс заданной пропорционально величинамотклонения фактической скорости механиэма подъема от заданной и текущим величинам ускорения и производнойускорения механизма подъема,Устройство для осуществления способа, содержащее регулируемые элект 5 роприводы постоянного тока механизмов подъема и напора с командоаппаратами, блок управления приводом механизма напора, соединенные последовательно датчик усилия и проиэвод 10 ной усилия в канатах механизма подъема и подключенные к сумматору, ключевой элемент, снабжено последовательно соединенными датчиками скорости, ускорения и производной ус 15 корения механизма подъема, тремясумматорами, двумя ключевыми элементаии и нелинейным элементом, причем входы второго сумматора соединены с выходами командоаппарата ме 20 ханизма подъема и датчика скорости,входы третьего сумматора соединеныс выходами датчика ускорения и датника производной ускорения, приэтом выход второго сумматора соеди 25 нен с входом четвертого сумматорачерез второй ключевой элемент; управляющий вход которого соединен.свыходом первого сумматора, а выходтретьего еуиматора соединен с входом четвертого "сумматора через треЗ 0 тий ключевой элемент, управляющийвход которого соединен с выходомвторого сумматора, а выход четвертого сумматора соединен со входомблока управления механизма напораЗ 5 через нелинейный элемент и первыйключевой элемент, управляющие входыкоторого соединены с выходами перво.го сумматора и командоаппарата механизма напора,40 На фиг.1 представлена блок-схемаустройства для осуществления способа автоматического управления процессом копания; на фиг.2 - осциллограммы процесса копания, получен 45 ные на экскаваторе ЭВГ/65 М Р 1при ручном управлении процессомкопания; на фиг.2 д - то же, при автоматическом управлении процессомкопания на основе использования50 способа-прототипа; на фиг,2 В - тоже, на основе использования предлагаемого способа, На фиг,2 обозначено: жи - угловая скорость двигателя подъема; ю - угловая ско 55 рость двигателя напора: М чпр.п - усилие в канатах механизма подъема;МЧпр, - усилие в канатах механизманайора; 0 л - напряжение задания навыходе командоаппарата подъема;Пн - напряжение задания на выходекомандоаппарата механизма напора;время копания.Устройство содержит регулируемыеэлектроприводы постоянного тока механизма подъема и механизма напора,65 экскаватора-лопаты с командоаппара-, 977623том 1 и блоком управления 2, приводом механизма напора, датчиками 3и 4 усилия и производной усилия вканатах механизма подъема, сумматором 5 и ключевым элементом 6.Устройство содержит также коман"доаппарат 7 механизма подъема, датчики 8 - 10 скорости,. ускорения ипроизводной ускорения механизмаподъема, три сумматора 11 - 13, дваключевых элемента 14 и 15 и нелинейный элемент 16, причем выход командоаппарата 1 механизма напора соединен с входом блока 2 управления привода механизма напора, выход датчика 3 усилия соединен с входом датчика 4 производной усилия, выход датчика 8 скорости соединен с входомдатчика 9 ускорения, а выход датчика9 ускорения соединен с входом датчика 10 производной ускорения, входыпервого сумматора 5 соединены с выходами датчика 3 усилия и датчика 4производной усилия, входы второгосумматора 11 соединены с выходамикомандоаппарата 7 механизма подъемаи датчика 8 скорости, входы третьегосумматора 12 соединены с выходамидатчика 9 ускорения и датчика 10производной ускорения, выходы вто"рого и третьего сумматора 11 и 12соединены со входами четвертогосумматора 13, при этом выход второгосумматора 11 соединен со входом четвертого сумматора 13 через второйключевой элемент 14, управляющийвход которого соединен с выходомпервого сумматора 5, а выход третьего сумматора 12 соединен с входомчетвертого сумматора 13 через третий ключевой элемент 15, управляющий вход которого соединен с выходомвторого сумматора 11, в свою очередьвыход четвертого сумматора 13 соединен со входом блока 2 управлениямеханизма напора. через нелинейныйэлемент 16 и первый ключевой элемент б, управляющие входы которогосоединены с выходами первого сумматора 5 и командоаппарата 1 механизманапора.В устройстве датчика усилия и егопроизводной, датчики скорости и еепроизводные и сумматоры могут бытьвыполнены на основе использованияоперационных усилителей на микросхемах типа К 153 и К 553. Ключи могутбыть выполнены на базе микросхемК 553 н сочетании с микросхемами типа К 190,Способ осуществляется с помощьюустройства следующим образом,Воздействие на вход блока 2 управления привода механизма напора поступает с выхода .сумматора 13 устройства автокопания через ключевойэлемент 6, который открывают приналичии одновременно двух сигналов: с выхода командоаппарата 1 механизма напора, когда величина этого сигнала соответствует установке командо"аппарата 1 в крайнее положение флотсебя, и с выхода сумматора 5, ког 5 да величина этого сигнала достигнетзаранее заданного уровня. Величинуэтого уровня выбирают большей усилияв канатах механизма подъема, измеренного датчиком 3 усилия, соответ"10 ствующего весу груженого ковша, иравной (0,75-0,80) стопорного значения усилия,при копании в неоднородном грунтеи столкновении ковша с труднапреодо 15 лимым препятствием более раннемуоткрытию ключевого элемента б способствует сигнал, пропорциональныйпроизводной усилия в канатах механизма подъема, измеренный датчиком4 пРоизводной " усилияЕсли скорость копания .становитсяменьше задаваемой машинистом с помощью командоаппарата 7 механизмаподъема, то на выходе сумматора 1125 появляется сигнал, пропорциональныйрассогласованию величин задающегосигнала, поступающего с выхода командоаппарата 7, и сигнала, поступающего с выхода датчика 8 скоростимеханизма подъема, величина которогопропорциональна фактической скорости механизма подъема,Если при этом сигнал на выходесумматора 5, определяемый суммойвеличин усилия и производной усилияв канатах механизма подъема, достигнет величины усилия отсечки,открывают ключевой элемент 14 и на входсумматора 13 поступает задающийсигнал, определяющий величину воз"О действия на блоки 2 управления механизма напора.Таким образом, при снижении фактической скорости механизма подъемапо сравнению с заданной уменьшают45 величину подачи рукояти с помощьюизменения величин илй даже знаковусилия и скорости привода механизманапора, Величина усилия отсечки,прикоторой открынают ключевой элемент5 О 14, может быть ранной величине уставки, при которой открывают ключевойэлемент б, или несколько больше этой.величины, но не должна превышатьвеличину усилия отсечки (статической55 характеристики привода подъема),Если Машинист дает задание наторможение привода подъема, то величина сигнала, поступающего с выхода датчика 8 скорости на вход сумо матора 11, станет больше неличинызадающего сигнала, поступающего свыхода командоаппарата 7 на тот жесумматор 11, Вследствие этого изменяются знаки сигналов на выходесумматоров 11 и 13. Однако благодаря5 наличию нелинейного элемента 16 на5 10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 65 выходе сумматора 13 воздействие наблок 2 управления приводом напорапри этом прекращается,Как только под воздействием сопротивления со стороны забоя начинается торможение привода подъема, задающий сигнал поступает на входсумматора 13 не только с выхода сумматора 11, но и с выхода датчика 9ускорения и датчика 10 производнойускорения через сумматор 12 и ключевой элемент 15, что увеличивает эф 1 фективность воздействия на приводмеханизма напора и способствуетподдержанию величин скорости и усилияв канатах копающего механизма, равных заданным.Особенно нажно воздействие, поступающее на вход сумматора 13 с выхода сумматора 12 при столкновенииковша с труднопреодолимым препятствием, когда величины ускорения ипроизводной ускорения существенны,Величина сигнала на ныходе сумматора 13, соответствующая максимальнойрасчетной величине ускорения, должна быть достаточной для полной компенсации сигнала, поступающего с(выхода командоаппарата 1 на вход блока 2 управления, и для обеспечениязадания движения механизма напорана себя, Условия этого режимаопределяют минимальную величинукоэффициента усиления сумматора 12,при котором обеспечивают своевременный возврат рукояти и прекращениеторможения привода подъема,Если в результате движения рукояти фна себя торможение приводаподъема прекратитсяи начнется егоразгон, изменится знак ускорения и,соответственно, знак сигнала навыходе сумматора 12, что способствует компенсации сигнала,поступающего с выхода сумматора 11 до того,как скорость копания станет равнойзаданной, Если результирующий сигнал в этом режимер поступающий свыхода сумматора 13, станет равнымсигналу, поступающему с выхода командоаппарата 1, возврат рукоятис помощью системы автокопания прекращен. Таким образом, совместноедействие сигналон пропорциональныхошибке по скорости механизма подъемаи величине и знаку ускорения этогомеханизма, способствует своевременному обходу препятствияДействительно, так как увеличение скорости механизма подъема свидетельствует о том, что препятствие преодолено, то прекращение движения рукояти на себя в этом режиме благоприятно для последующего заглубления ковша и своевременного обходапрепятствия.Воздействие устройства автокопания на блок 2 управления привода напора прекращают, после чего начинается движение рукояти в направлении фот себя еще до достижениязаданной скорости копания, как только величина усилия в канатах механизма подъема станет меньше усилияотсечки, при котором закрывают ключевой элемент 14.Прекращение воздействия на блок 2управления со стороны устройстваантокопания происходит после закрытия ключевого элемента 14 при условии увеличения скорости механизмаподъема, так как положительный знакускорения, соответствующий Газгонупривода подъема, обеспечивает отрицательный знак сигнала на выходесумматора 13, не пропускаемый нелинейным элементом 16.Движение рукояти в направленииот себя и заглубление ковша происходит до тех пор, пока не начнетсяуменьшение скорости копания под воздействием сопротивления со сторонызабоя,Для того, чтобы при торможениипривода подъема, которое происходитне под воздействием сопротивлениясо стороны забоя, а в соответствиис командой машиниста, сигнал, пропорциональный бтрицательному ускорению привода подъема, не ноздействовал на блок 2 управления, подаваякоманду на движение рукояти фнасебя, закрывают ключевой элемент15, когда на выходе сумматора 11появляется отрицательный сигнал,что соответствует заданию сигнала от командоаппарата 7 подъема, меньшего величины сигнала, поступающего с выхода датчика 8 скорости механизма подъема.Из рассмотрения осциллограмм процессов копания при ручном управ ленин (фиг.2 О), при автоматическом управлении процессом копания и использовании известного способа (фиг, 2 Б) и при использовании предлагаемого способа (фиг,2 ) видно, что применение предлагаемого способа уменьшает время копания на 10 и увеличивает заполнение ковша на 8 по сравнению с аналогичными показателями, обеспечиваемыми при использовании известного способа.Статистическая обработка осциллограмм, снятых на экскаваторе ЭВГ/65 М Р 1 при работе устройст" ва автокопания, позволяет оценить увеличение производительности экска. натора за счет применения устройства автокопания величиной 6,Способ предусматривает воздействие на механизм напора, вотличие от известного способа, непосредственно в функции величины отклоненияскорости механизма подъема от заданного значения и в функции величинускорения и производной ускорения механизма подъема, что исключает возникновение устойчивого режима копания с пониженной скоростью по сравнению с заданной и обеспечивает поддержание средней скорости копания, близкой к заданной, при копании как в однородном, так и в неодно" родном грунтах.Применение предлагаемого способа и устройства для его осуществления дозволяет обеспечить качественное управление процессом копания как в однородном, так и в неоднородном грунтах и повысить производительность экскаватора за счет уменьшения продолжительности процесса копания и увеличения заполнения ковша,Формула изобретения 1. Способ автоматического управления процессом копания на одноков-шовых экскаваторах с электропрйводом постоянного тока механизмов напора и подъема, основанный на измерении величин усилия и производной усилия в упругих элементах механизма подъема, суммировании этих величин и изменении величины подачи механизма напора после достижения заданного уровня суммой величин усилия и производной усилия в упругих элементах механизма подъема при наличии переменного возмущающего воздействия на механизм подъема, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности управления за счет поддержания оптимальной скорости механизма подъема и снижения дли" тельности копания при увеличении заполнения ковша, дополнительно задают величину скорости механизма подъема, измеряют, величины. скорости, ускорения и производной ускорения механизма подъема, сравнивают заданную и фактическую величины скорости капающего механизма и изменяют, величину подачи механизма напора при уменьшении скорости механизма подъема по сравнению с заданной пропорционально величинам отклонения 5 10 15 20 30 35 40 45 50 фактической скорости механизма подъема от заданной и текущим величинамускорения и производной ускорениямеханизма подъема.2, Устройство автоматическогоуправления процессом копания на одноковшовых экскаваторах, содержащеерегулируемые электроприводы постоянного тока механизмов подъема и напора с командоаппаратами, блок управления приводом механизма напора,соединенные последовательно датчикиусилия и производной усилия в канатах механизма подъема и подключенныек сумматору, ключевой элемент, о тл и ч а ю щ е е .с я тем, что оноснабжено последовательно соединенными датчиками скорости, ускорения ипроизводной ускорения механизмаподъема, тремя сумматорами, двумяключевыми элементами и нелинейнымэлементом, причем входы второгосумматора соединены с выходамикомандоаппарата механизма подъема идатчика скорости, входы третьегосумматора соединены с выходами датчика ускорения и датчика производнойускорения, при этом выход второгосумматора соединен с входом четвертого сумматора через второй ключевойэлемент, управляющий вход которогосоединен с выходом первого сумматора, а выход третьего сумматора соединен со входом четвертого сумматора через третий ключевой элемент,управляющий вход которого соединенс выходом второго сумматора, а выход четвертого сумматора соединенсо входом блока управления механизманапора через нелинейный элемент ипервый ключевой элемент, управляющиевходы которого соединены с выходамипервого сумматора и командоаппаратамеханизма напора,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе.1. Авторское:свидетельство СССРР 749996, кл. Е 02 р 9/20, 1978,2,Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 2749582/03,кл, Е 02 Г 3/48 1979.3. Авторское свидетельство СССРР 732465, кл Е 02 Г 9/20, 1978,977623 Составитель Р. ГладУнКинив Техред Т.Фанта Корректор А, Дзя да аказ 9140 атентфф, г, Ужг ул, Проектная, 4 Филиал 8 Тираж 709.ВНИИПИ Государственного кпо делам изобретений и 35, Москва, Ж, Раушска Подписноитета СССРткрытийнаб., д. 4/5