автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Стабилизация нагрузок электропривода стреловидного исполнительного органа проходческого комбайна

Направах руюписи

МЕЩЕРИНА ЮЛИЯ АЛЬБЕРТОВНА

СТАБИЛИЗАЦИЯ НАГРУЗОК М ЕКТРОИРИВОДА СТРЕЛОВИДНОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА

Специальноспъ05 Д9Ш - «Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат

диссертации на соискание у чаюй степени кандидата технических нау к

□03163005

Ново5узнецк 2007

003163005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский Государственный ' ' индустриальный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Пугачев Емельян Васильевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Ещин Евгений Константинович

кандидат технических наук, с н с Киселев Станислав Филиппович

Ведущая организация - Открытое акционерное общество

«КузНИИЩахтострой»

Защита состоится часов «14» ноября 2007т в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212 525 03 Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу 654007, Кемеровская обл., г Новокузнецк, ул Кирова, 42,тел 46-37-88,46-19-00, факс (8-3843) 46-57-92

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский Государственный индустриальный университет»

Автореферат разослан 13 октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

А В Чубриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Социальные явления конца XX века задержали обновление парка проходческих комбайнов на угольных шахтах России. Эксплуатационные затраты на поддержание работоспособности морально и физически устаревшего оборудования проходческих комбайнов на приемлемом уровне увеличиваются с каждым годом по следующим причинам, исчезновение комплектов запасных частей; прекращение выпуска отдельных видов специальной продукции Определяющим фактором повышения эффективности, долговечности, надежности, снижения (ограничения) динамической нагруженности проходческих комбайнов является уровень их автоматизации, который сравнительно низок и не соответствует передовым тенденциям развития систем регулирования и управления в России и за рубежом.

Актуальной научно-практической задачей является исследование закономерностей формирования максимальных нагрузок и создание микроконтроллерной быстродействующей системы автоматической стабилизации нагрузок электропривода исполнительного органа проходческих комбайнов, что позволит обеспечить надежность, долговечность, производительность и снижение энергопотребления этих машин.

Целью работы является создание микроконтроллерной системы автомагической стабилизации нагрузок и защиты от «опрокидываний» и перегрузок асинхронного короткозамкнутого электродвигателя системы электропривода исполнительного органа проходческих комбайнов

Задачи диссертационной работы;

- провести экспериментальное исследование режимов резания твердых включений одиночным резцом на лабораторном стенде для установления закономерностей формирования максимальных нагрузок электропривода исполнительного органа проходческого комбайна,

. - исследовать связь системы «резцовый инструмент-твёрдое включение» для оценки динамических показателей режимов резания и их влияния на ресурс работы электропривода исполнительного органа проходческого комбайна,

- создать устройство автоматического управления для выравнивания квазистатической нагрузки по линии резания поверхности забоя коронкой исполнительного органа проходческого комбайна за счет управляемого дозирования мощности электрогидропривода подачи,

- разработать методику синтеза ре1уляторов нагрузки и скорости подачи с переменными коэффициентами, аппроксимирующими нелинейности объекта управления,

- создать микроконтроллерную систему автоматической стабилизации нагру-- зок электропривода исполнительного органа в условиях действия резко переменных нагрузок, превышающих предельно допустимые

Методы исследования; экспериментальные исследования процесса резания твердых включений на стенде одиночным резцом, логико - математическое/ моделирование процесса управления и выравнивания мощности электрогидро--.., привода подачи исполнительного органа, моделирование и стендовые испытания быстродействующей системы автоматической стабилизации

нагрузок электропривода исполнительного органа проходческого комбайна, сопоставление теоретических и экспериментальных результатов Основные научные положения,' выносимые на защиту:

- вид импульсов нагрузки при резании твердых включений одиночным резцом в условиях лабораторного стенда, характеризующих тип резания по кривизне переднего фронта этих импульсов, при этом во! нутый фронт соответствует свободному резанию, а выпуклый - полублокированному резанию,

- аппроксимация экспериментально полученных импульсов нагрузки статистической моделью «резцовый инструмент - твердое включение», характеризующая динамические параметры разрушения, необходимые для проектирования систем управления проходческих комбайнов нового поколения,

- выравнивание мощности электрогидропривода подачи, с созданием логико -математической модели устройства управления, устраняющее конструктивные недостатки стреловидного исполнительного органа проходческого комбайна при его повороте (подъеме) в горизонтальном или вертикальном направлениях и повышающее коэффициент передачи мощности электрогидропривода подачи,

- программная реализация модели и идентификация параметров нелинейного объекта управления для разработки методики синтеза регуляторов с переменными коэффициентами,

- модельное исследование микроконтроллерной системы автоматической стабилизации нагрузок для установления условий реализации рабастной системы управления, близкой к оптимальной по быстродействию

Научная новизна работы заключается в;

- зависимости момента резания твердого включения одиночным резцом от глубины резания и величины скорости подачи, определяющей тип резания и динамические параметры импульсов нагрузки, позволившие определить ресурс работы электропривода исполнительного органа комбайна,

- корреляционной функции и функции спектральной плотности нагрузок при резании твердых включений многорезцовым инструментом в условиях шахты,

- способе выравнивания мощности электрогидропривода подачи исполнительного органа, отличающимся тем, что дозированная мощность подачи от дополнительного насоса передается на силовые гидроцилиндры в зонах снижения мощности основного насоса на 6-8 % номинального значения,

- методике синтеза регуляторов с переменными коэффициентами для нелинейного объекта управления,

- компьютерной программе, реализующей объект системы управления в масштабе двоичных кодов микроконтроллерной системы,

- функциональной структуре микроконтроллерной системы управления

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- результатами стендовых испытаний процесса резания одиночным резцом 118 образцов карбонатной породы разной Крепости,

- применением эталонного гидравлического пресса для тарировки усилий тен-зометрического моста, наклеенного на резец

- соответствием вероятностных значений импульсов нагрузки, полученных

экспериментально в шахтных условиях при резании твердых включений многорезцовым инструментом, теоретическому значению спектральных характеристик с 90% доверительной вероятностью,

- уточнением неравномерности скорости и усилия подачи элетрогидролриво-да и созданием устройства, выравнивающего квазистатическую нагрузку по линии резания исполнительного органа,

- пакетом компьютерных программ по синтезу и анализу микроконтроллерной системы автоматической стабилизации нагрузок электропривода исполнительного органа проходческого комбайна,

- результатами стендовых испытаний быстродействующей системы автоматической стабилизации нагрузок, формирующей практически заданные показатели качества процесса регулирования с допустимым разбросом их значений в 5-6%

Личный вклад автора состоит в следующем:

- разработана статистическая Модель «режущий инструмент - твердое включение», обеспечивающая достоверную аппроксимацию экспериментально полученных импульсов нагрузки для установления типа резания по кривизне переднего фронта импульса,

- разработана методика идентификации разрушения массива по спектральным оценкам на конечном интервале с максимальными нагрузками на резце исполнительного органа при резании твердых включений, характеризующими показатели усталостной прочности элементов электропривода,

- предложен способ выравнивания квазистатической нагрузки по линии резания поверхности забоя коронкой исполнительного органа проходческого комбайна за счет выравнивания мощности электрогидропривода подачи, выбора зон управляемого дозирования мощности подачи дополнительного источника (насоса),

- разработаны технические требования к быстродействующей системе автоматической стабилизации нагрузок, обеспечивающей стабилизацию нагрузок в ординарном режиме работы и защиту от «опрокидываний» асинхронного ко-роткозамкнутого электродвигателя системы электропривода исполнительного органа в экстремальных режимах работы

Научное значение работы состоит в;

- установлении критерия распознавания по спектральной оценке Бартлетта типа резания твердого включения по кривизне переднего фронта импульса нагрузки,

- установлении закономерностей формирования нагрузок в экстремальном режиме работы для оценивания ресурса работы электропривода исполнительного органа проходческого комбайна,

- определении зависимостей горизонтальной и вертикальной составляющих скорости и усилия подачи от углов поворота (подъема) исполнительного органа для выравнивания квазистатической нагрузки по линии резания поверхности забоя с целью повышения коэффициента передачи мощности электрогидропривода,

- формировании близкой к оптимальной по быстродействию робастной системы управления электропривода исполнительного органа, обеспечивающего при наложенных ограничениях максимум производительности проходческого комбайна.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты позволяют

- оценить тип резания твердых включений при обработке забоя и выполнить настройку параметров быстродействующей системы автоматической стабилизации нагрузок электропривода исполнительного органа проходческого комбайна на режим резания с минимальной энергоемкостью для обеспечения энергосбережения,

- использовать динамические показатели резания твердых включений для оценки циклической нагруженности электропривода исполнительного органа и повышения ресурса работы проходческого комбайна;

- повысить коэффициент передачи мощности электрогидропривода подачи при выравнивании нагрузки по линии резания поверхности забоя коронкой исполнительного органа проходческого комбайна;

- повысить производительность проходческого комбайна за счет формирования близкой к оптимальной по быстродействию робастной системы управления электроприводом исполнительного органа.

Реализация работы. Результаты работы реализованы в виде способа и устройства управления мощностью подачи стреловидного исполнительного органа проходческого комбайна, приоритетные №№ 2007130269 и 2007130270, методики синтеза регуляторов с переменными коэффициентами для нелинейного объекта управления, компьютерного пакета программ, реализующих объект управления в масштабе двоичных кодов микроконтроллерной системы переданы ООО Научно-производственной фирме «ИНТЕХСИБ» для проектирования и выпуска готовых изделий; представлены на Международной выставке - ярмарке «Уголь России и Майнинг 2007» и удостоены «Диплома» этой выставки. Научные результаты и "практические рекомендации используются в учебном процессе СибГИУ при обучении студентов по специальностям- 140601- "Электромеханика" и 150402-Торные машины й оборудование"

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Системы и средства автоматизации», г. Новокузнецк, 1998 г, на ежегодных Международных научно-практических конференциях "Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов", проводимых ЗАО «Кузбасская ярмарка» совместно с Сибирским Государственным Индустриальным Университетом (г. Новокузнецк) в 2003 - 2007г г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе одна работа издана в Вестнике КузГТУ, №2 научно-технический журнал/ КузГТУ - Кемерово, 2005, входящем в перечень лицензионных научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, содержит 137 страниц машинописного текста, 9 таблиц, 48 рисунков, список литературы из 86 наименований: и двух приложений ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первом разделе «Анализ нагрузок электропривода исполнительного органа проходческого комбайна и средств их стабилизации» обобщены результаты анализа условий эксплуатации проходческих комбайнов на шахтах Кузбасса, процесса формирования нагрузок в электроприводе стреловидного исполнительного органа и средств их стабилизации

На процесс формирования динамических нагрузок в электроприводе исполнительного органа, как показали исследования проф. В А. Бреннера, член-корр. А В Докукина, проф. А Б Логова, А Н. Коршунова, Ю Д. Красникова, В. И Нестерова, П. П Палева, В И Солода и др , оказывают существенное влияние условия эксплуатации, вследствие того, что значительное число пластов в Кузбассе содержат крепкие и вязкие угли с одним - двумя, а иногда и более породными прослойками, мощностью 0,1 .0,15 м, сложенными, в основном, аргиллитом, редко алевролитом или песчаником с коэффициентом крепости по шкале проф М М. Протодьяконова/=2 5. Значительное влияние на надежность и производительность проходческих комбайнов оказывает засоренность пластов твердыми включениями Несмотря на невысокое содержание твердых включений в угольных пластах (коэффициент конкрециеносности Кц ^ 7%), они осложняют проведение выработок проходческими комбайнами Важным требованием к электроприводу исполнительного органа проходческого комбайна является необходимость предотвращения длительных перегрузок и «опрокидываний» асинхронного электродвигателя В настоящее время не вызывает сомнений применение на проходческих комбайнах регуляторов нагрузки их электроприводов, повышающих интегральную производительность, которая зависит от машинного времени работы «забойного» электрооборудования и текущей производительности комбайна, а также остаточного ресурса работы горной машины Исходя из вышеизложенного, актуальным является разработка технических требований, принципа построения, обоснование выбора параметров настройки и схемных решений быстродействующих регуляторов в условиях действия максимальных нагрузок

Во втором разделе «процесс формирования нагрузок в экстремальном режиме работы проходческого комбайна» проведены экспериментальные и теоретические исследования процесса резания твердых включений одиночным и многорезцовым инструментом, которые позволили установить, что тип резания этих включений зависит от кривизны переднего фронта импульсов нагрузки Для обоснования параметров настройки системы автоматической стабилизации нагрузок и увеличения ресурса работы проходческих комбайнов необходимо определять динамические показатели процесса резания твердых включений. С этой целью проведены экспериментальные исследования резания этих включений одиночным резцом на лабораторном стенде, изготовленном на базе фрезерного станка Стендовые испытания проводились при различных значениях крепости карбонатных образцов породы с £ = 4,4-6,8 и глубины резания И

= 4; 8; 12 мм. Момент резания представлял периодическую последовательность импульсов нагрузки, различающихся формой, амплитудой, длительностью и кривизной переднего фронта. Моменты резания для двух характерных типов разрушения твердых включений одиночным резцом приведены на рисунке 1.

По экспериментальным данным процесса формирования импульсов нагрузки в условиях шахты разработана статистическая модель «резцовый инструмент — твердое включение», учитывающая физико-механические свойства массива, который можно представить в виде «упруговязкого» тела, а также тип резания. Тип резания твердого включения характеризуется кривизной переднего фронта импульса нагрузки: с высокой энергоемкостью — полублокированное; с низкой энергоемкостью - свободное резание.

¿"О,/а

а) б)

Рисунок 1 - Вид импульсов нагрузки при резании твердых включений одиночным режущим инструментом: а) выпуклый передний фронт импульса - полублокированное резание; б) вогнутый передний фронт импульса - свободное резание.

При внедрении резца в массив со скоростью V0 = const импульсная модель реакции приобретает вид:

t-jV

F(t) = V0 q(t-jTH) + (^-qr0) l-exp -

J.

при jTH<tS(j + l)TH;j = 0,l,2,...

(1)

где К(г)- результирующая нагрузка на резце, Н; ч - жесткость элемента массива, Н/м; р- вязкость элемента массива, Н-с/м; т0- постоянная времени процесса резания элемента массива, с; ти- период повторения импульса нагрузки, с; .¡-текущий номер периода.

Показатели я, р,ти, согласно известным теоретическим исследованиям КузГТУ, коррелируют с режимными параметрами (шагом и глубиной резания), что учитывается при индентификации предложенной модели с реальным процессом нагружения.

В работе установлено, что кривизну переднего фронта импульса характеризует коэффициент в = р-цти: полублокированный рез (в > о); свободный рез (6><о). Для определения расчетных значений нагрузки, характеризующих рациональный режим резания твердого включения при заданном уровне довери-

тельной вероятности, определено распределение коэффициента в В диапазоне значений коэффициента в от 4750 до 19750 Н на резцах коронки исполнительного органа предложено аппроксимирующее распределение, интегральная функция которого определяется выражением:

F(b) = b28 [-0,03b2 -0 3b + 0,37] + b[-4,~6b2 +7,51b-2,18j + 0,19, где b = 0/19750 (2)

Импульс нагрузки при полублокированном резании и значениях доверительной вероятности Р = 0,9, аппроксимируется выражением F(t) = 17060( +15550 (1 - ехр(-1,63t), Н, при 0 < t < о' 061с (3)

Импульс нагрузки при свободном резании и значениях доверительной вероятности Р = 0,1 имеет вид

F(t) = 7940t + 6250 (l - ехр(-0,47t), Н, при 0 < t < о" 21с. (4)

Для установления критериев распознавания типа и параметров импульсов нагрузки при резании твердого включения одиночным и многорезцовым инструментами и получения характеристик суммарных нагрузок на исполнительном органе, разработана методика идентификации динамических нагрузок на резце по спектральным оценкам на конечном интервале. Корреляционная функция нагрузок R(t) по мощности электродвигателя привода стреловидного исполнительного органа проходческого комбайна при разрушении твердого включения в условиях пласта «Мощного» на шахте «Прокопьевская» (данные Куз-НИУИ) может быть записана

Й(т) = 0 80ехр(-3т) + 0,17 cos | тгт - 0,03 (5)

Общая дисперсия корреляционной функции при резании твердого включения значительна и превышает аналогичную величину при резании угля в 1,5 — 2,0 раза. Оценка функции Й(т) импульса нагрузки цри числе импульсов N = 20 с разумной для практических целей точностью совпадает с теоретической корреляционной функцией

Установлено, что лучшим качеством идентификации кривизны переднего фронта импульса при достаточном значении ширины корреляционного окна Т0 = ЮТИ обладает спектральная оценка Бартлетта при ее стремлении к нулю в диапазоне от 0 до тг/0.061

S(w) = 2jjl-i?jR(r)cosi^dr " ' (6)

Спектральный анализ процесса резания твердого включения многорезцовым инструментом в условиях шахты показал, что в спектре частот наблюдается преобладание периодических составляющих над случайными составляющими этого процесса

На основе полученных выражений-для идентификации статистической модели «режущий инструмент - твердое включение» с реальным процессом на-гружения, достоверно оценены расчетные значения нагрузок по оценкам спех-тральных характеристик и выборочным распределениям параметров, характеризующих кривизну переднего фронта импульсов

В третьем разделе «Статические и динамические характеристики электрогидропривода подачи проходческого комбайна как объекта автоматической стабилизации нагрузок» рассмотрено влияние конструктивных особенностей исполнительного органа на неравномерность усилия и скорости подачи в зависимости от изменения углов поворота (подъема) стрелы и обеспечения выравнивания квазистатической нагрузки

При решении вопроса выравнивания нагрузки по линии резания были сделаны следующие допущения, точки опоры корпусов силовых гидроцилиндров электрогидропривода подачи равноудалены от центра вращения турели и расположены за ее пределами, силовые гидроцилиндры горизонтального перемещения исполнительного органа включены в гидросистему перекрестно; углы горизонтального поворота и угловая скорость турели и стрелы равны, скалярные величины мгновенных радиальных и тангенциальных скоростей всех точек турели, равноудаленных от ее центра вращения, равны. Скорость подачи исполнительного органа при горизонтальном повороте на угол а от продольной оси комбайна зависит также от величины проекции стрелы на горизонтальную плоскость, то есть от угла подъема стрелы <р. Скорость подачи исполнительного

органа в горизонтальной плоскости упг можно записать в виде

= (7)

л шт К

где С>„ас - производительность (расход) насоса, л/мин, в,,, - площади поршневой и штоковой полостей силового гвдроцилиндра, м2; - длина стрелы

исполнительного органа от оси вертикального подъема до центра коронки, м, К- радиус турели, м, ь - наименьшее расстояние между осями горизонтального поворота и вертикального подъема стрелы исполнительного органа.

Зависимость (7) для современных проходческих комбайнов приведена на рисунке 2.

Специфика вертикальной подачи стрелы исполнительного органа заключается в том, что осуществляется двумя силовыми гидроцилиндрами, включена ными параллельно, а точки их опоры расположены внутри окружности, описываемой точкой соединения штока гидроцилиндра со стрелой. При этом направление движения штока никогда не совпадает с направлением тангенциальной скорости стрелы Для определения зависимости усилия подачи исполнительного органа от угла его горизонтального поворота делаются следующие предпосылки давление, развиваемое насосом во всем диапазоне работы электрогвд-ропривода, остается постоянным, поворотная турель стрелы жесткая, действующие силы не вызывают ее деформации, усилие подачи определяется из равенства моментов сил относительно центра турели

На усилие подачи влияет не длина стрелы, а величина ее проекции на горизонтальную плоскость — ь'апр

Зависимость усилия подачи исполнительного органа от горизонтального угла его поворота определится выражением

F>.g) = pR- -cosg, (8)

b + Lcipcos«'

где p - давление в гидросистеме привода подачи, МПа.

Рисунок 2 - Зависимость горизонтальной скорости подачи от углов поворота (а) и подъема (<р) исполнительного органа проходческих комбайнов

Мощность горизонтальной подачи Nf, является скалярным произведением векторов силы и скорости. Для проходческого комбайна направления скорости и усилия подачи исполнительного органа совпадают. На основании уравнений (7) и (8) получено:

Nj1(a) = pQ„accoS2«. (9)

Коэффициент передачи мощности электрогидропривода подачи разен 17^(а) = cos2 а . Установлена неравномерность передачи мощности подачи для проходческих комбайнов: 1 ГПКС - 28%; СМ-130К - 33%; КП-21 - 41%; П-110 - 46%. Поэтому задача выравнивания мощности подачи электрогидропривода весьма актуальна и может быть решена за счет: суммирования мощностей основного и дополнительного насосов при условии равенства давлений этих насосов; суммирования мощностей только в секторах (зонах), имеющих неравномерность, превышающую 8%.

Уравнение выравнивания мощности подачи можно записать в виде:

ANr„(a) = pQmc 0~°°2s2 а) = pQ^tfa ИЛИ рдт -QmM ^pQ^tg'a, (10)

cos a

где ANf,(«) - дополнительная мощность привода подачи.

Выравнивание мощности подачи существенно улучшает условия работы электрогидропривода, при этом выравнивается и квазистатическая нагрузка электропривода исполнительного органа проходческого комбайна вследствие повышения равномерности подачи. Для проходческих комбайнов коэффициент передачи мощности электрогидропривода подачи можно снизить в среднем на 24%. Разработка устройства дозированного управления мощностью привода

подачи основана на формализации условий его работы, имеющей удобную форму для адекватного перехода от математической модели к надежным техническим устройствам Предпочтение следует отдать логическим векторам движения и логико-памятным операторам. Логический вектор движения объединяет трехзначную логику управления непрерывным процессом (-1, 0, 1) с двухзначной логикой синтеза схем управления объектами (электрогидроприводом)

Функцию управления выравненной мощностью горизонтальной подачи электрогидропривода можно записать в следующем виде.

К = {xon0pQ„ac Vxon (x^.lox^ )Opf (днас.доп ,At)}AhJv

v{xM0pQHacVxM (х^10хГзп )0pf(QMC доп, At) j Af^, (11)

гдехоп- сигнал машиниста на поворот стрелы вправо, хол - сигнал машиниста

на поворот стрелы влево, х^п - сигнал датчика положения на силовом гидроцилиндре горизонтального поворота при переходе поршнем границы из I зоны

во И зону, х[зп - сигнал датчика положения на силовом гидроцилиндре горизонтального поворота при переходе поршнем границы из II зоны в I зону, At -время замедления подключения полной мощности дополнительного насоса

(пропорционально углу поворота в зоне II), ; h' - орты логического вектора движения горизонтального поворота

На основе логико - математической модели управления дозированием мощности подачи электрогидропривода разработано устройство выравнивания мощности подачи исполнительного органа проходческого комбайна

В четвертом разделе «Разработка быстродействующей системы автоматической стабилизации нагрузок проходческого комбайна» изложены технические требования, обоснован принцип построения, выбраны параметры настройки и предложен способ технической реализации микроконтроллерной системы автоматической стабилизации нагрузок электропривода исполнительного органа проходческого комбайна.

Проходческий комбайн оборудован взаимосвязанной через забой системой электроприводов электроприводом: исполнительного органа, оснащенного асинхронным короткозамкнутым электродвигателем и электрогидроприводом подачи, который управляет-режимами работы комбайна Анализ входных и выходных координат показал целесообразность использования в качестве регулируемых величин скорость подачи исполнительного органа и ток статора асинхронного короткозамкнутого электродвигателя привода исполнительного органа

С изменением скорости подачи исполнительного органа изменяется глубина резания я, как следствие, момент сопротивления на валу электродвигателя резания Кроме того, на момент на1рузки электродвигателя при неизменной скорости подачи исполнительного органа оказывает влияние изменение крепости горных пород, поскольку угольные пласты засорены твердыми включения-

ми и породными прослойками с существенно различными сопротивлениями резанию Поэтому даже при одинаковой глубине резания момент нагрузки электродвигателя изменяется в широких пределах, особенно существенно и резко момент сопротивления возрастает при резании твердых включений

Диапазон изменения нагрузок электропривода исполнительного органа проходческого комбайна зависит от крепости разрушаемого массива и колеблется от ординарных (резание угля при Г < 4), до экстремальных (прорезание породных прослойков и твердых включений при £ = 4,0 - 6,8)

Выбор электродвигателя по максимальному моменту нагрузки приводит к завышению мощности электродвигателя и к существенному снижению коэффициента мощности, а ударное изменение момента нагрузки электродвигателя -к засорению питающей электросети высшими гармониками, искажающими синусоидальность напряжения и, как следствие, к увеличению тока нагрузки электродвигателя

Резкие перепады и пиковые нагрузки и связанные с ними динамические процессы приводят к ускоренному развитию естественных дефектов механизмов дисбаланса, несоосности соединений, увеличению люфтов Система распадается на несколько не жестко связанных масс, что способствует развитию вибрационных и резонансных колебаний, ускоряющих износ механизмов Более того, эти колебания оказывают влияние на датчики, что существенно ухудшает получение достоверной информации и обеспечение качественных показателей процесса управления

При ручном управлении неизбежны перегрузки электродвигателя как от ошибочных действий оператора, так и от встречи режущего инструмента с твердыми включениями Поэтому решается задача построения такой системы управления исполнительным органом, чтобы обеспечить практически постоянное значение тока асинхронного электродвигателя, допуская кратковременные перегрузки не превышающие критический момент («опрокидывание» электродвигателя)

Нагрузка исполнительного органа непосредственно зависит от его скорости подачи, поэтому синтезируем систему, отслеживающую ток электродвигателя и стабилизирующую его на уровне, близком к номинальному При невысокой крепости массива ток электродвигателя задается на номинальном уровне, а при резании массива средней и высокой крепости с увеличенной, но допустимой перегрузкой в течение времени, определяемой ПВ% электродвигателя Поэтому в распоряжение оператора предоставляются три фиксированные уставки, ориентированные на резание угля, породных прослоек и твердых включений

Функциональная структура системы стабилизации нагрузки (рисунок 3) состоит из двух контуров, внешнего контура регулирования тока электродвигателя (привод исполнительного органа) и внутреннего контура управления скоростью подачи электрогидропривдда, в то время как в стандартной системе подчиненного регулирования управление осуществляется двумя координатами одного и того же привода. Для ограничения максимального тока электродвигателя привода исполнительного органа .используется ограничение выходного сигнала регулятора тока

Система стабилизации нагрузок построена на основе микроконтроллера, выходной-сигнал которого представляет собой двоичный код На основании двоичного кода ЦАП (цифроаналоговый преобразователь) формирует электрическое напряжение. Этот сигнал управляет электрогвдроприводом через быстродействующий следящий золотник, управляемый по входу электрическим сигналом.

-Огр-е -|

изт _ изс

—><Я)Ь| РТ

иУ

-иосг

РС

ЭГП

-11осс

ДС

|-Мн

I Мср

иоз

эпио

дт

Рисунок 3 - Функциональная структура системы стабилизации нагрузок РТ, РС - регуляторы тока и скорости; ЭГП - электрогидролривод, ИОЗ - исполнительный орган-забой; ЭПИО — электропривод исполнительного органа; ДТ, ДС - датчики тока и скорости, Огр-е - ограничение выхода регулятора тока, изт, изс - задание по току и скорости, соп, I - скорость подачи и ток электропривода исполнительного органа; -Мн, Мер — моменты нагрузки и сопротивления резанию

ЭГП - сложное гидромеханическое устройство, динамика движения и неразрывность потока которого описывается сложными нелинейными дифференциальными и алгебраическими уравнениями. Поскольку синтез рехулятора контура скорости подачи для сложного нелинейного объекта затруднен, то путем компьютерного моделирования были выделены параметры, определяющее основное движение, и параметры, определяющие быстро затухающие процессы, причем ошибка не превышает 3 1%

Так как нелинейность объекта при этом сохранилась, выполнена кусочно-линейная аппроксимация и для синтеза регулятора скорости подачи был синтезирован регулятор, коэффициенты которого меняются при переходе от одного участка аппроксимации к другому, оставаясь постоянными на текущем интервале. Поскольку на каждом интервале аппроксимации коэффициенты постоянные, появилась возможность применить математический аппарат передаточных функций при том условии, что при переходе на другой участок коэффициенты меняются на значения, соответствующие этому участку Если в аналоговых устройствах эта задача является трудноразрешимой, то ее программная реализация регулятора в микроконтроллерной системе затруднений не вызывала. Однако, при синтезе рехулятора скорости подачи возникла проблема реализации дифференцирующих регуляторов четвертого порядка, которые реализовать практически невозможно. Поэтому в знаменатель вводились корни с большими численными значениями, которые обеспечивали реализуемость регулятора, но

из-за быстрозатухающих процессов они оказывали только небольшое фильтрующее действие, подавляя импульсные помёхи, практически не искажая полезной составляющей сигнала

В контуре регулирования тока с точки зрения математического описания решена задача выявления взаимосвязи электрогидропривода подачи с электроприводом исполнительного органа, причем нагрузка на каждом резце имеет характер близкий к полуволне синусоиды, а полуволны синусоиды располагаются со сдвигом на угол 2п/т, где т - число резцов (линий резания) на коронке. В результате нагрузка за один оборот коронки выравнивается, дисперсия случайной составляющей нагрузки оцененивается по гармонике, номер которой не больше числа половины резцов.

Изложенное не учитывает наличие твердых включений и породных прослойков Для их учета в систему на рисунке 3 указан вход Мн, который подключен к генераторам, случайным образом генерирующим твердые включения и породные прослойки Это дало возможность выполнить моделирование и исследование характера переходных процессов от возросших нагрузок и обеспечение стабильности поддержания заданной нагрузки электропривода исполнительного органа с отклонением, не превышающем 5.2%.

Стабилизация нагрузки осуществляется контуром регулирования тока. Дня измерения тока используются компенсационные датчики тока фирмы LEM, построенные на основе элемента Холла и магнитного сердечника на высококачественном пермаллое и отличающиеся повышенной точностью (не хуже 0,1%), расширенной полосой пропускаемых частот (250 кГц), линейностью характеристики вход-выход и перегрузочной способностью

Датчик тока измеряет среднее значение нагрузки и высокочастотные составляющие, которые при дискретизации в результате эффекта наложения частот создают низкочастотную составляющую, искажающую измеряемый сигнал Для подавления высокочастотной составляющей применен филыр низких частот, реализованный на операционном усилителе, который, кроме того, обеспечивает согласование уровня выходного сигнала датчика тока со входом УВХ аналогоцифрового преобразователя (АЦП)

Синтез регулятора тока выполнен аналогично синтезу регулятора скорости подачи Алгоритм для создания программы регуляторов выполнен на основе метода синтеза дискретного регулятора по аналоговому образцу Использован метод преобразования передаточных функций регуляторов в эквивалентную систему дифференциальных уравнений первого порядка с переменными коэффициентами Затем производные правой части заменялись отношением конечных приращений, причем шаг приращений выбирался равным шагу дискретизации В результате дифференциальные уравнения были преобразованы в разностные уравнения, которые были запрограммированы для реализации в мшс-роконтроллерной системе управления.

Поскольку выходная переменная регулятора тока и переменные коэффициенты при произведенных преобразованиях сохранились в явном виде, то есть был коэффициент А, он и в разностном уравнении сохранился как А Модель

объекта управления контура скорости подачи для первого участка аппроксимации представлена на рисунке 4,

0.2* 10"3 Ь 18 X 16*9.6

0.24* 10"5р2+5.48*10"3р+1 . 2 0.015р+1 3 36*10" 6р2+2.124* 10°р+1

Рисунок 4- Алгоритмическая структура объекта управления контура скорости подачи

1, 2, 3 - передаточные функции соответственно электромеханического преобразователя, гидроусилителя, дроссельного исполнительного привода с механизмом подачи; Ь, х - перемещения соответственно якоря вдоль оси иглы и плунжера золотника.

На рисунке 5 приведена передаточная функция регулятора скорости подачи для первого интервала аппроксимации нелинейного объекта управления.

иУ

Узе

0.00034р +0.015р+1

0.553 (0.001 р+1)(0.0002р +0.02р+1)

Рисунок 5 - Передаточная функции регулятора скорости подачи для первого интервала аппроксимации нелинейного объекта управления Кривая переходного процесса контура риулирования скорости подачи представлена на рисунке 6. Из кривой следует, что время разгона до максимальной скорости составляет 0.05 с.

Рисунок 6 - Кривая переходного процесса контура регулирования скорости подачи

Переходные процессы контура стабилизации тока и скорости подачи представлены на рисунке 7 (в относительных единицах). Система обеспечивает: стабилизацию нагрузок элетропривода исполнительного органа практически с нулевой ошибкой в установившемся режиме; перерегулирование по току -11%; время достижения регулируемой величиной заданного значения - 0,25 с. Система надежно обеспечивает электродвигатель от «опрокидывания» при контакте исполнительного органа с твердым включением. Показатели качества

процесса регулирования соответствуют заданным значениям динамических свойств системы.

Расчетное значение коэффициента увеличения средней долговечности Кс„ при применении системы стабилизации нагрузок на проходческом комбайь е и его работе в режиме периодических импульсных нагрузок со случайными амплитудами, может быть установлено по формуле В.В. Болотина в соответстзии с формулами (5) и (6):

К„ -з у-г2 (_1___1_

2 \До.1 Л).9У

к -1м1

ксд

1 И7

•ехр

= 3,45ехр(А'„),

(12)

гдеГи], ТИ2 - период импульсов соответственно при свободном и полублоки -рованном резании колчедана, с; Кп - коэффициент запаса прочности деталей, предназначенных для работы на регламентные нагрузки, Кп= 1,0; 3//?- предельная динамическая нагрузка для расчетов на усталостную прочность (согласно ОСТ. 12.44.109-79); 1/ = 0,6- предельное значение коэффициента вариации. Расчетное значение коэффициента ресурса работы составляет К г =1,33 при К„= 1, что предполагает существенное увеличение долговечности работы привода исполнительного органа комбайна в режимах стабилизации нагрузок. <оп 1с

1ст

л гУ г

\

-1 Л

""Ч

\®п

¥

_0.Sc.

Рисунок 7 - Ток электродвигателя привода исполнительног о органа и скорость подачи при набросе и сбросе нагрузки

О о 3.5

Испытание системы стабилизации нагрузок на проходческом комбайне в условиях стенда показало что «система» отвечает заданным требованиям по быстродействию и перерегулированию с разбросом динамических показателей до 10%, что допустимо для технических норм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой дано решение актуальной научной задачи исследования закономерностей формирования динамических нагрузок в экстремальном режиме работы электропривода исполнительного органа, обоснованы технические требования, принцип построения и техническая реализация микроконтроллерной системы автомагической стабилизации нагрузок проходческого комбайна.

1. Экспериментально установлены в условиях стенда параметры импульсов нагрузки при резании твердых включений одиночным резцом и разработана методика идентификации статистической модели «резцовый инструмент - твердое включение» с реальным процессом нагружения, получены математические выражения для оценивания параметров распределения импульсов нагрузки.

2 Установлены зависимости скорости и усилия подачи от углов поворота (подъема) исполнительного органа, а их произведение, соответствующее мощности подачи электрогидропривода, пропорционально квадрату косинуса угла, предложен способ стабилизации мощности привода подачи за счет автоматически управляемого дозирования расхода дополнительного насоса в зонах наибольшего отклонения мощности подачи, создаваемой основным насосом от ее максимального значения и получено уравнение стабилизации мощности подачи

3 Разработана логико-математическая модель управления стабилизированной мощностью привода подачи исполнительного органа, использующая адекватный переход от модели к техническому устройству.

4. Разработан метод синтеза регуляторов с переменными коэффициентами для нелинейного объекта управления, обеспечивающей переходный процесс в соответствии с модульным оптимумом

5. Разработана компьютерная программа, реализующая объект управления в масштабе двоичных кодов микроконтроллерной системы управления

6. Разработана функциональная структура микроконтроллерной системы управления

7. Подтверждено соответствие показателей качества процесса регулирования заданным быстродействие системы составляет 0,28 с, перерегулирование по току - 12%. Это позволяет предотвращать «опрокидывание» асинхронного электродвигателя привода исполнительного органа при его контакте с твердым включением

8 Предложен метод оценки увеличения средней долговечности деталей исполнительного органа, на основе спектральных характеристик, учитывающих снижение динамических нагрузок, а также увеличение долговечности вследствие применения системы стабилизации нагрузок, что позволяет получить увеличение коэффициента ресурса работы по критерию усталостной прочности до кР~ 1,33 для наиболее слабых деталей, работающих на регламентные нагрузки с коэффициентом запаса прочности кп = 1

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Герике Б Л Формирование нагрузки в приводе подачи стреловидного исполнительного органа проходческого комбайна при его повороте в горизонтальной плоскости / Герике Б Л, Мещерина Ю А И Вестник КузГТУ, №2. научно-технический журнал/КузГТУ - Кемерово, 2005.-с. 98-100.

2. Мещерина Ю А Стендовые испытания САР для стабилизации нагрузок проходческого комбайна 1ГПКС/ ЮА. Мещерина//Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов Сб науч статей междунар. науч - практ конф / СибГИУ - Новокузнецк, 2007. - с 40-46

3 Мещерина Ю А Принцип построения быстродействующей САР для стабилизации нагрузки в приводе исполнительного органа проходческого комбайна/ Ю А Мещерина// Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов Сб науч статей междунар науч. - практ конф / СибГИУ -Новокузнецк, 2006 - с 203-211.

4 Мещерин А Т Исследование динамических нагрузок проходческого комбайна при разрушении колчедана/А Т Мещерин, Ю А Мещерина// Вопросы отработки крутых угольных пластов Сб научных трудов/ КузНИУИ - Прокопьевск, 1994 -с.24-30.

5 Мещерин А Т Статистические параметры импульсов нагрузки на резце при разрушении колчеданов проходческим комбайном/ А Т Мещерин, Ю А. Мещерина// Разработка угольных пластов месторождений Кузбасса Сб научных трудов/КузНИУИ -Прокопьевск, 1994 -с.73-86.

6 Мещерина Ю А Статистическая модель системы «Резцовый инструмент-колчедан» проходческого комбайна/ Ю А Мещерина, А Т Мещерин// Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых Междунар науч-техн сб Вып4./СибГИУ -Новокузнецк, 1998.-е 127-140

7 Мещерин АТ Идентификация динамических нагрузок электропривода исполнительного органа проходческого комбайна при разрушении колчедана/ А Т. Мещерин, Ю А Мещерина// Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых Междунар науч.-техн сб. Вып.5/ СибГИУ - Новокузнецк, 1999 -с 221-228

8. Мещерин А.Т Повышение ресурса работы электропривода исполнительного органа проходческого комбайна в угольных пластах, засоренных колчеданными включениями / А Т Мещерин, Ю А Мещерина// Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых Междунар науч -техн сб Вып.5/СибГИУ -Новокузнецк, 1999 -е 233-239.

9. Мещерина Ю А. Влияние углов поворота на скорость перемещения стреловидного исполнительного органа проходческого комбайна /Ю.А Мещерина// Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых, междунар науч.-техн. сб Вып 7/СибГИУ - Новокузнецк, 2005 - с 175-181

10. Мещерина Ю А. Стабилизация мощности подачи стреловидного исполнительного органа проходческого комбайна /Ю А Мещерина// Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых: междунар науч.-техн сб. Вып 7/СибГИУ - Новокузнецк, 2005,- с. 156-161

11 Мещерина Ю А. Логико-математическая модель управления гидроприводом подачи исполнительного органа проходческого комбайна ЛО А Мещерина// Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых междунар науч -техн сб Вып. 7 / СибГИУ. - Новокузнецк, 2005 - с 182-185.

Изд лиц № 01439 от 05 04 2000 Подписано в печать 03 09 2007г Формат бумаги 60x84 1/16 Бумага писчая. Печать офсетная Успечл 1,1. Уч.-изд л. 1,24. Тираж 120 экз Заказ 117

ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» 654007, г Новокузнецк, ул Кирова, 42 Издательский центр ГОУ ВПО «СибГИУ»