Системы управления экскаваторами типа «прямая лопата» и драглайн

В состав механического оборудования экскаватора типа «прямая лопата» (далее экскаватор-лопата или просто лопата) входят: рабочее оборудование, поворотная платформа 4 и ходовая тележка 3. Рабочее оборудование включает в себя стрелу 5, рукоять 2 с ковшом 1 и механизм открывания днища ковша. Механизм передвижения экскаватора расположен на ходовой тележке.
Экскаватор питается переменным трехфазным током от карьерной или строительной сети электроснабжения. Через кольцевой токоприемник электроэнергия передается в высоковольтный распределительный шкаф, расположенный на поворотной платформе.
Повышение производительности экскаватора и снижение динамических перегрузок в механизмах достигнуто применением электроприводов постоянного тока по системе ТП-Д (тиристор-ный преобразователь — двигатель. На рис обозначены: ПП — приемный пункт; К — кабель гибкий; КТП — кольцевой токоприемник; КРУ — комплектное распределительное устройство; Т1 и Т2 — главный и вспомогательный трансформаторы; КТУ-П, КТУ-Н и КТУ-В/Х — соответственно комплектные ти-ристорные устройства электроприводов подъема, напора и поворота (вращения)/хода; КЗА — коммутационно-защитная аппаратура; МП, МН, MB и MX — электроприводы подъема, напора, поворота и хода соответственно.
В электрической схеме главных электроприводов использован пятиобмоточный силовой трансформатор Т1. Группа двигателей каждого из главных механизмов получает питание от соответствующего комплектного тиристорного преобразователя (КТУ), все силовые ТП — реверсивные. Электродвигатели хода подключаются контакторами к преобразователю привода поворота, когда последний не работает. Управление всеми электроприводами осуществляет машинист экскаватора с пульта управления, который включает в себя аппаратуру ручного управления и информационно-диагностические средства.
Рабочее оборудование шагающих драглайнов содержит стрелу 1, ковш 3, подъемный 2 и тяговый 4 канаты, соединенные с соответствующими лебедками через головной блок и блок наводки. Разгрузка ковша осуществляется его опрокидыванием с помощью разгрузочного каната 5. Основное и вспомогательное механическое и электрическое оборудование расположено на вращающейся платформе 7, где смонтирован механизм передвижения с двумя опорными лыжами 6.
Подвод электрической энергии к платформе экскаватора выполнен аналогично подводу у экскаваторов-лопат. Электротехническое оборудование управления сосредоточено в шкафах и на пультах, установленных в кузове экскаватора и частично — в кабине машиниста.
Электрооборудование экскаваторов отличается специфичностью, большим разнообразием и значительной концентрацией мощностей. Так, на платформе экскаватора сосредоточены: группа мощных электрических машин, силовое преобразовательное оборудование, высоковольтная система электроснабжения, различные вспомогательные электроприводы, системы автоматического и дистанционного управления, электрооборудование освещения, вентиляции, обогрева и кондиционирования воздуха и др.
Наиболее сложное из них относится к электроприводам главных рабочих механизмов и однозначно определяет эксплуатационные показатели экскаватора — производительность, маневренность и удобство управления, надежность и долговечность.
Совокупность электротехнических изделий, располагаемых на экскаваторе, вместе с внешним приключаемым высоковольтным оборудованием системы электроснабжения объединяют в электротехнический комплекс.
Применяемые для экскаваторов электротехнические изделия должны обладать повышенной перегрузочной способностью и механической прочностью. Оборудование должно удовлетворять конкретным требованиям, которые наиболее существенны для определенных категорий экскаваторов, включая условия серийного или индивидуального производства, динамические, конструктивные или экономические факторы, показатели надежности, стоимость и т.д.
К главным механизмам относят те, которые непосредственно осуществляют процесс экскавации грунта: подъемный, поворотный, напорный лопат или тяговый драглайнов.
Процесс экскавации заключается в разработке горного массива, т. е. его разрушении с циклическими режимами копания в забое, и транспортировании ковша к месту разгрузки. Продолжительность цикла малых машин с ковшами объемом 2,5...5 м3 составляет 5...32 с и растет одновременно с увеличением геометрических размеров ковша и рабочего оборудования. Цикл заключает в себе следующие технологические операции: копание, подъем груженого ковша с одновременным поворотом платформы к месту выгрузки, разгрузка и возвращение порожнего ковша в забой.
Оперативное перемещение ковша характеризуется трехкоорди-натной системой воздействия со стороны главных электроприводов. Периодически, по мере отработки забоя, возникает необходимость перемещения экскаватора, что выполняет механизм хода или шагания. Условно к главным относится маломощный электропривод механизма открывания днища ковша, необходимый для разгрузки лопат.
Электропривод подъемного механизма предназначен для управления скоростью и направлением перемещения ковша в вертикальной плоскости. Основными являются следующие технологические функции для лопат: подъем ковша в процессе копания в забое, подъем или опускание ковша для разгрузки в транспорт или отвал и опускание ковша при возвращении в забой. Основные функции для драглайна: поддержание малого натяжения канатов при черпании грунта в забое, подъем ковша после заполнения к голове стрелы, удержание в процессе разгрузки и опускание снова в забой.
Механизм состоит из подъемной лебедки и канатов. Реверсивная лебедка приводится в движение индивидуальными двигателям через редуктор. Режим работы двигателей — интенсивный повторно-кратковременный. Конструктивное исполнение двигателей — горизонтальное с двумя концами вала для соединения с муфтой редуктора и установки тормозного шкива. Имеются образцы экскаваторов с безредукторным тихоходным электроприводом, на валах двигателей которого непосредственно установлены барабаны подъемной лебедки.
При использовании двигателей постоянного тока регулирование скорости двигателей ведется изменением напряжения якорей при питании от индивидуальных преобразователей. Для ускоренного опускания ковша к подошве забоя после разгрузки применяется ослабление возбуждения. При использовании асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором применяется частотное регулирование скорости. Ускоренное опускание также выполняется при ослабленном потокосцеп-лении. Оперативное торможение привода, включая режимы удержания груженого ковша, — электрическое. Привод оборудован стояночным колодочным тормозом и концевым командоаппара-том ограничения пути для исключения «переподъема» ковша.
В группе главных электроприводов электропривод подъема является основным в соответствии с заданным значением нагрузки, скоростью подъема ковша и производительностью экскаватора.
Электропривод напорного механизма лопаты обеспечивает управление скоростью и направлением поступательного перемещения рукояти с ковшом в горизонтальной плоскости. Он предназначен для управления положением ковша при копании в забое, выводе из забоя, перемещении к транспортному средству или отвалу и возвращении в забой. С помощью электропривода оператор задает необходимое напорное усилие на забой, выбирает степень заглубления ковша и трассу копания. Существенна роль электропривода при коррекции положения ковша во время разгрузки в кузов транспортного средства и иных маневрах, требующих точного управления.
Механизм состоит из напорной лебедки и канатов в канатном варианте или зубчатой плоской передачи в реечном варианте. Реверсивная лебедка или реечная передача приводятся в движение индивидуальными двигателями через редуктор. Режим работы двигателя и конструктивное исполнение аналогичны электроприводу подъема. Для защиты механизма от чрезмерных динамических нагрузок привод может быть оборудован муфтой предельного момента, содержащей эластичное и фрикционное звенья.
Оперативное торможение — электрическое с применением стояночного тормоза колодочного типа. Ограничение рабочего хода рукояти обеспечивается механическими упорами, а для смягчения ударов при неправильном маневрировании ковшом дополнительно используется интенсивное торможение по сигналу концевых командоаппаратов.
Электропривод тягового механизма драглайна обеспечивает управление скоростью и направлением поступательного перемещения ковша в горизонтальной плоскости подобно электроприводу напора лопаты. С помощью электропривода обеспечиваются черпание грунта в забое, натяжение канатов для отрыва ковша и поддержание его наклонного положения при перемещении к транспортному средству или отвалу. Электропривод также обеспечивает разгрузку ковша и возвращение в забой.
Механизм состоит из тяговой лебедки и канатов. Реверсивная лебедка приводится в движение индивидуальными двигателями через редуктор. Режим работы аналогичен режиму подъемных механизмов. Обычно с целью унификации электродвигатели подъема лебедки и тяги выбирают одного типа. Для разгрузки ковша на ходу без снижения скорости подъема необходимо ослабить тормозящий момент тяговых канатов. Такая операция достигается увеличением скорости травления.
Особенность привода — ударный характер нагружения и резкие стопорения при черпании в тяжелых грунтах. Из-за больших усилий и моментов установка механических предохранительных муфт исключена. Оперативное торможение — электрическое. Привод оборудуется стояночным колодочным тормозом и концевым командоаппаратом ограничения пути «перетяга» во избежание поломок блока наводки упряжью ковша.
Электропривод поворотного механизма обеспечивает управление скоростью и направлением вращательного движения полноповоротной платформы экскаватора с установленным на ней рабочим оборудованием. Электропривод предназначен для вывода ковша из забоя путем вращения платформы, перемещения к месту разгрузки и обратно. При точной разгрузке ковша в транспортное средство необходима полная остановка платформы, разгрузка в отвал выполняется на ходу, т.е. в процессе реверса платформы. Особенность механизма состоит в изменении момента инерции в значительных пределах.
Механизм состоит из редуктора с большим передаточным числом и выходных валов-шестерен, которые вращаются по неподвижному зубчатому венцу, расположенному на ходовой тележке лопат или опорных базах драглайнов. Привод, как правило, многодвигательный. Реверсивный режим работы с плавным нарастанием ускорения и управляемой скоростью обеспечивается индивидуальными двигателями, управляемыми от индивидуальных преобразователей. Ряд крупных драглайнов изготовлен с тихоходным электроприводом поворота.
На валах электродвигателей поворотного механизма установлены стояночные колодочные тормоза с дистанционным электропневматическим или электромагнитным управлением. Конструктивное исполнение двигателей — вертикальное с двумя концами вала.
Электроприводы механизмов перемещения экскаватора отличаются большим разнообразием, обусловленным конструктивным исполнением механизмов. Наиболее распространен электропривод с индивидуальными двигателями. Механизм перемещения состоит из редуктора, тормоза и бортовых передач гусеничного хода. Механизм шагания драглайнов — эксцентрикового типа с двумя опорными лыжами большой площади. Привод шагания драглайнов выполняется электрогидравлическим с высоковольтными короткозамкнутыми АД.
Преобразовательный электромашинный агрегат имеет обычно синхронный или асинхронный электродвигатель и три генератора постоянного тока. От каждого генератора получает питание группа электродвигателей одного из главных механизмов, соединенных последовательно, параллельно или по смешанной схеме. Электродвигатели хода обычно питаются от одного из главных генераторов, когда соответствующий главный механизм не действует.
Необходимое изменение угловой скорости двигателей обеспечивают регулированием тока возбуждения генератора и соответственно напряжения, подаваемого на электродвигатели. В некоторых случаях для дополнительного повышения скорости (выше номинальной) уменьшают ток возбуждения электродвигателя.
Напряжение генератора должно автоматически регулироваться так, чтобы при малых нагрузках развивалась наибольшая угловая скорость электродвигателя, а при увеличении момента нагрузки скорость быстро снижалась вплоть до нуля при резком стопорении привода. Для этого система возбуждения генератора должна иметь высокое быстродействие, что реализовать весьма непросто, поскольку обмотка возбуждения обладает большой электромагнитной постоянной времени.
Системы автоматического регулирования (САР), обеспечивающие требуемые алгоритмы управления, выполняют в виде общеизвестных систем «подчиненного» регулирования с регуляторами тока якоря и напряжения (или ЭДС) двигателя.
Электроприводы главных механизмов должны обеспечивать высокопроизводительную работу экскаватора при одновременном ограничении нагрузок механического и электрического оборудования. Этим требованиям наиболее полно отвечает экскаваторная механическая характеристика.
Применительно к копающим механизмам при рабочих перегрузках по моменту на валу обеспечивается незначительное снижение скорости двигателя (по сравнению со скоростью холостого хода). Когда момент двигателя достигает момента отсечки Мотс, скорость двигателя уменьшается до нуля при стопорном режиме. Значение стопорного момента М„ близко к предельно допустимому по условиям прочности механизма и перегрузочной способности двигателя. Участок характеристики, на котором момент меньше Мотс называют рабочим, а участок, на котором он больше Л4гс. — участком ограничения момента.
Применение ТП и электродвигателей постоянного тока с малым динамическим моментом инерции и пониженной частотой вращения в сочетании с САР, обеспечивающей оптимальную форму механической характеристики и высокое быстродействие, позволяет придать экскаватору новые качества.
Как известно, в тиристорном преобразователе в соответствии с принципом его действия при уменьшении выходного напряжения по сравнению с номинальным ухудшаются энергетические показатели системы: снижается коэффициент мощности, увеличивается содержание высших гармоник напряжения питающей сети. Это — главные недостатки тиристорного электропривода постоянного тока. Действие указанных факторов нейтрализуется применением фильтро-компенсирующих устройств (ФКУ).
Перспективным для экскаватора является применение частотно-регулируемого электропривода переменного тока, в частности ПЧ с неуправляемым входным выпрямителем, промежуточным звеном постоянного тока и выходным инвертором регулируемой частоты с формированием синусоидального выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции. Использование неуправляемого входного выпрямителя позволяет кардинально улучшить энергетические показатели преобразователя: получить коэффициент мощности, близкий к 1, и минимальное содержание высших гармоник.
Недостатком ШИМ-преобразователя является сложность реализации тормозных режимов, необходимых, например, при спуске грузов. Для рекуперации энергии в сеть требуется дополнительный инвертор (аналогичный тиристорному выпрямителю). Простым решением является рекуперативно-резисторное торможение, при котором энергия спуска выделяется в резисторах и преобразуется в теплоту.
Современным решением, использующим полностью управляемые полупроводниковые элементы, является преобразователь частоты с активным выпрямителем, система управления которого обеспечивает режимы рекуперации и поддержания значений напряжения и коэффициента мощности.
Основные недостатки, препятствующие широкому применению частотного электропривода в экскаваторах: повышенная сложность оборудования и недостаточная отработка изделий для тяжелых условий эксплуатации; дополнительная сложность в обеспечении тормозных режимов, необходимых в реверсивных электроприводах (в частности, при спуске грузов); повышенная стоимость по сравнению с электроприводами постоянного тока.