Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность использования экскаваторов-драглайнов, являющихся высокопроизводительными и дорогостоящими горными машинами, существенно зависит от того, насколько управление его главными приводами соответствует такому режиму работы, при котором достигается расчетная производительность экскаватора для конкретных горно-геологических условий забоя при допустимых нагрузках в его рабочем оборудовании и электромеханических системах (т.е. электроприводах и механизмах).
В процессе черпания значительные динамические нагрузки в электромеханической системе подъема драглайна возникают при наличии слабины в подъемных канатах в момент отрыва груженого ковша от поверхности забоя или при срыве его с бровки забоя, а в электромеханической системе тяги - при стопорений ковша и при чрезмерном заглублении его в породу, что имеет место при слабине или недостаточном усилии натяжения подъемных канатов.
Для управления процессом черпания машинисту требуется поддерживать определенное натяжение подъемных канатов, а не скорость подъемного механизма. Поддержание определенного натяжения в подъемных канатах за счет регулирования скорости подъемного механизма является затруднительным, поскольку между натяжением канатов и скоростью двигателя нет однозначной зависимости. Поэтому в процессе черпания машинист экскаватора вынужден производить большое количество переключений командоаппаратом электропривода подъема, чтобы обеспечить требуемое натяжение подъемных канатов.
При ошибках машиниста в формировании задающих сигналов для электропривода подъема в подъемных канатах может образуется слабина, которая может привести к возникновению значительных динамических нагрузок в электромеханических системах драглайна.
Так как слабина в подъемных канатах и значительные динамические нагрузки в электромеханических системах драглайна возникают при ручном управлении процессом черпания, то устранение слабины и ограничение динамических нагрузок может быть обеспечено с помощью систем автоматического управления нагрузками драглайна при черпании.
Сравнение различных способов управления процессом черпания драглайна показывает, что рациональным является черпание с постоянной толщиной срезаемой стружки. В результате имеет место равномерная отработка забоя без образования на его поверхности значительных неровностей, что уменьшает время на зачистку забоя.
Поэтому разработка системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании, обеспечивающей увеличение эффективности его использования за счет повышения производительности, надежности и долговечности экскаватора, является актуальной задачей.
Целью работы является повышение эффективности использования драглайна, а также надежности и долговечности его оборудования с помощью разработки
структуры и алгоритмов управления сигналами системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании.
В работе решаются следующие задачи:
обоснование требований к системе автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании;
разработка структуры и алгоритмов управления автоматической системы управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании;
синтез выбранных регуляторов натяжения подъемных и тяговых канатов драглайна при черпании;
разработка математической модели системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании и исследование ее динамических характеристик при моделировании;
разработка рекомендаций по технической реализации управляющего устройства системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании.
Основная идея работы заключается в реализации в системе автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании каждого из трех режимов управления процессом черпания (автоматического, автоматической коррекции сигналов управления электроприводами и автоматической защиты электромеханических систем от перегрузок) с помощью отдельных замкнутых контуров регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов, в которых регулирование натяжения канатов осуществляется по нелинейным зависимостям от текущей длины пути копания и величины усилия в подъемных и тяговых канатах.
Защищаемые научные положения:
1. Реализация трех режимов управления: автоматического, коррекции
сигналов управления электроприводами и защиты от перегрузок отдельными
замкнутыми контурами регулирования натяжения канатов в системе
автоматического управления динамическими нагрузками позволяет повысить
эффективность эксплуатации драглайна за счет снижения длины и времени
черпания.
2. Включение в структуру системы программных задатчиков натяжения
подъемных и тяговых канатов, формирующих алгоритмы изменения заданного
натяжения канатов в зависимости от данной длины пути черпания, позволяет
компенсировать силы сопротивления перемещению ковша и осуществлять
черпание почти с постоянной толщиной стружки.
-
Функциональное ограничение скорости электропривода тяги в зависимости от усилия в подъемных и тяговых канатах обеспечивает снижение динамических нагрузок в электромеханической системе тяги драглайна при черпании.
-
Алгоритм коррекции задания натяжения канатов с учетом длины подъемных канатов до поверхности забоя и усилия в тяговых канатах позволяет
системе управления электроприводом подъема драглайна увеличить усилие внедрения ковша в грунт.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана структура автоматической системы управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании, отличающаяся тем, что каждый режим управления процессом черпания реализуется отдельными замкнутыми контурами регулирования натяжения подъемных и тяговых канатов;
разработаны алгоритмы управления системы автоматического управления динамическими нагрузками драглайна, отличающиеся тем, что изменение заданного натяжения канатов формируется по нелинейной зависимости от текущего значения длины пути перемещения ковша по забою, а также тем, что они обеспечивают ограничение скорости электропривода тяги в зависимости от усилия в подъемных и тяговых канатах;
разработаны структура и алгоритмы управления контуром регулирования минимального натяжения подъемных канатов драглайна, отличающиеся тем, что они обеспечивают увеличение усилия внедрения ковша в породу (за счет опускания на ковш его упряжи).
Обоснованность и достоверность полученных результатов. Научные
положения, выводы и рекомендации, представленные в диссертации, базируются на основе теоретических и экспериментальных разработок и исследований систем автоматизации и ограничения нагрузок драглайна и получены с использованием современных методов структурно-алгоритмического синтеза технических систем теории автоматического управления и математического моделирования.
Научное значение работы заключается в разработке новой структуры и алгоритмов управления системы автоматического управления динамическими нагрузками в электромеханических системах драглайна при черпании, обеспечивающих повышение эффективности его использования, что развивает теорию АСУ ТП одноковшовых экскаваторов.
Практическое значение работы заключается в том, что разработанная система автоматического управления динамическими нагрузками может быть реализована как на серийно выпускаемых, так и на находящихся в эксплуатации экскаваторах-драглайнах без существенного изменения применяемых на них схем управления его электроприводами подъема и тяги.
Новизна и практическая значимость работы подтверждена тремя патентами РФ на изобретение.
Методические разработки по тематике представленной диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности 210100 - «Управление и информатика в технических системах», в частности при чтении лекций по курсу «Автоматизация технологических процессов горного производства. Открытая добыча».
Реализация результатов работы. Отдельные части структуры разработанной
системы приняты к использованию ФГУП «Гипроуглеавтоматизация». Общая
структура системы может быть принята к использованию научно-
исследовательскими и проектно-конструкторскими учреждениями,
специализирующимися на проектировании и изготовлении систем управления электроприводами одноковшовых экскаваторов-драглайнов. На основании данной системы возможна модернизация эксплуатируемых драглайнов на действующих разрезах.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на семинарах кафедры «Автоматика и управление в технических системах» МГГУ в 2005, 2008, 2010, 2011 гг., и международных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2005-2011 гг.).
Публикации: по теме диссертации опубликованы 7 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки России.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 28 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 89 наименований и 4 приложения.
Автор работы выражает благодарность научному руководителю профессору Леониду Давидовичу Певзнеру за всестороннюю помощь, а также доценту кафедры AT МГГУ Анатолию Михайловичу Ромашенкову, продолжившему консультации по теме диссертации после смерти профессора Михаила Сергеевича Ломакина.
