Обґрунтовано необхідність розробки нового підходу до моделювання електроприводів підйому і натиску кар'єрного екскаватора в процесі копання. Показані відмінності запропонованої математичної моделі від традиційного підходу. Виявлено недоліки існуючих систем управління екскаваторного електроприводами і запропонований спосіб їх усунення.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Зав'ялов В. М., Семикіна І. Ю.


Область наук:
  • Механіка і машинобудування
  • Рік видавництва: 2007
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ
    Наукова стаття на тему 'Математична модель механічної частини взаємозалежних електроприводів напору і підйому кар'єрного екскаватора'

    Текст наукової роботи на тему «Математична модель механічної частини взаємозалежних електроприводів напору і підйому кар'єрного екскаватора»

    ?Ці факти, встановлені за допомогою моделі, дозволяють розробити впорядковану збірку роликових опор з урахуванням властивостей оптимальної структури взаємодії деталей. На рис. 7 представлена ​​схема вузлової зборки багаторядних роликових опор бессепараторних типу з урахуванням оптимальної структури взаємодії деталей [3, 4].

    В результаті проведених досліджень було виявлено наступне:

    1. Конструктивним оптимальним параметром роликів великої і малої роликових доріжок повинен бути змінний кут фаски роликів (30 ° і 60 °).

    2. Комплектація роликів при установці їх на роликові доріжки повинна здійснюватися методом структурної впорядкованості, т. Е. Торець

    ролика з меншим кутом фаски повинен контактувати з буртиком шарошки, а з великим кутом фаски з торцем цапфи.

    3. Наявність конструктивних змін фасок дозволить ввести структуру в складальний процес розташування роликів в опорі щодо їх площині симетрії і стабілізувати процес взаємодії деталей роликових опор, забезпечуючи стійкість кінематичних зв'язків. Тематика роботи входить до складу науково-дослідних робіт, що проводяться в рамках тематичного плану Самарського державного технічного університету за завданням Федерального агентства з освіти на 2006-2009 рр. по темі «Розробка теоретичних основ структурно впорядкованої збірки важко навантажених виробів машинобудування», номер державної реєстрації НДР 01.2.006 06882.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Журавльов А.Н., рильце І.К. Упорядкована збірка опор бурових шарошечні доліт // Вісник Самарського наукового центру Російської Академії наук. - 2005. - Т. 7. - С. 442-449.

    2. Журавльов А.Н. Упорядкована збірка дворядних роликових опор // Збірка в машинобудуванні, приладобудуванні. - 2004. - № 10. - С. 14-17.

    3. Журавльов А.Н. Вплив структурного фактора впорядкованої збірки на динамічні параметри роликових опор // Важке машинобудування. - 2006. - № 2. - С. 25-27.

    4. Богомолов Р.М., Морозов Л.В. Селективна комп'ютерна збірка бурових шарошечні доліт // Збірка в машинобудуванні, приладобудуванні. - 2003. - № 6. - С. 34-38.

    Надійшла 30.12.2006 р.

    УДК 621.879.322.017.3: 004.942

    МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ МЕХАНІЧНОЇ ЧАСТИНИ взаємопов'язані ЕЛЕКТРОПРИВОДІВ напору І підйому кар'єрних екскаваторів

    В.М. Зав'ялов, І.Ю. Семикіна

    Кузбаський державний технічний університет, м Кемерово E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Обґрунтовано необхідність розробки нового підходу до моделювання електроприводів підйому і натиску кар'єрного екскаватора в процесі копання. Показані відмінності запропонованої математичної моделі від традиційного підходу. Виявлено недоліки існуючих систем управління екскаваторного електроприводами і запропонований спосіб їх усунення.

    Важливою ланкою в технологічному ланцюжку відкритого видобутку корисних копалин є екскавація породи. Разом з тим, останнім часом відбувається зниження основних техніко-економічних показників використання устаткування кар'єрів, в тому числі і кар'єрних екскаваторів. Частково це пояснюється недостатньою надійністю експлуатованих машин. Пошук шляхів подальшого підвищення технічного рівня кар'єрних екскаваторів вимагає розробки математичної моделі, адекватно описує їх основні робочі процеси.

    Для опису динамічних процесів, що протікають при роботі кар'єрних екскаваторів, кінематичні схеми його приводів представляють у вигляді багатомасових механічних систем. При цьому

    вельми поширений підхід, згідно з яким повні розрахункові схеми приводів спрощують до двомасових [1, 2]. Параметри таких розрахункових схем приймають постійними. Однак в дійсності параметри розрахункових схем приводів екскаватора в процесі роботи змінюються. Таким чином, застосування стандартного підходу призводить до помилок при визначенні навантажень конкретних вузлів кар'єрних екскаваторів і ускладнює дослідження в області підвищення їх надійності.

    Найбільш складною операцією, яку здійснюють кар'єрним екскаватором, з точки зору виникнення зовнішніх навантажень є процес копання, в зв'язку з чим досить актуальним завданням є опис роботи кар'єрного екскаватора саме в цьому режимі.

    У процесі копання одночасно беруть участь два електроприводу: підйому і натиску, тому при складанні описуваної математичної моделі необхідно врахувати, як кінематичні особливості електроприводів, так і їх взаємний зв'язок. При цьому найбільшу роль буде грати зміна параметрів електроприводів, викликане зміною геометричного положення ковша і рукояті.

    Спрощена розрахункова схема взаємопов'язаних електроприводів підйому і натиску показана на рис. 1. На цій схемі прийняті наступні позначення: 1Н - сумарний приведений момент інерції першої маси приводу напору, що включає момент інерції ротора двигуна, редуктора і напірного барабана; сн - приведена жорсткість канатів напірного механізму; 1п - сумарний приведений момент інерції першої маси приводу підйому, що включає момент інерції ротора двигуна, редуктора і підйомного барабана; сп сумарна приведена жорсткість канатів підйомного механізму; тр, тк, тп - маса рукояті, ковша і породи відповідно; Мн - електромагнітний момент двигуна напору, приведений до швидкості напірного барабана; Мп - електромагнітний момент двигуна підйому, приведений до швидкості підйомного барабана; кн, соп - кутова швидкість першої маси приводу напору і підйому відповідно; ? Ню МСП - сила і момент опору приводу напору і підйому відповідно; ук - лінійна швидкість напору ковша; ск - кутова швидкість ковша і рукояті.

    Мал. 1. Розрахункова схема електроприводів підйому і натиску кар'єрного екскаватора

    Для визначення параметрів екскаватора, що залежать від їх просторового положення, необхідно розглянути конструкцію підвісу ковша і кріплення рукояті. Будемо вважати, що ківш є матеріальною точкою, рукоять є стрижнем, вся маса якого рівномірно розподілена по його осі. Конструктивна схема, яка використовується при синтезі моделі взаємопов'язаних електроприводів підйому і натиску екскаватора, показана на рис. 2. Тут прийняті наступні позначення: а - кут нахилу стріли відносно горизонту; в - кут нахилу підйомного каната щодо рукояті; гн - радіус напірного бару-

    бана; гп - радіус підйомного барабана; 1р - повна довжина рукояті; йт - довжина ділянки стріли від сідло-вого підшипника до головного блоку; вп - вага ковша з породою; вр - вага рукояті; Р01 - тангенціальна сила опору різання; Р02 - нормальна сила опору різання; % Н,% п -кутовий положення напірного барабана і підйомного барабана відповідно; зк - величина інерційного рукояті; % До - кутове положення рукояті.

    Мал. 2. Схематичне зображення конструкції приводів екскаватора

    Для отримання рівняння руху взаємопов'язаних електроприводів скористаємося рівнянням Лагранжа другого роду:

    'дь4

    дц1

    -- = е

    - ад?

    ДДГ

    де Ь = РК-ЖП - функція Лагранжа; РК - кінетична енергія; Жп - потенційна енергія; qi -узагальнення координата; 0 - узагальнена сила. Результатом рішення рівняння Лагранжа для механічної підсистеми взаємопов'язаних електроприводів напору і підйому при виборі в якості узагальнених координат% н,% п, зк і буде система рівнянь:

    Ск М ,, - гЕ2 "Ск М" - гК2 "

    ^ Р12 "+ ШРС ^^ - 2 | + + Тп К ^ - Рс "- Р12п в-

    & тр + тк + тп

    (? Л т

    К2 в-М -2т зі V I 5 - - I-2 (т + т) ю V 5-з s2 -п

    сСюк = У 2) Ж

    =: I V? 2

    тр | 5 .. - I + тр - + (тк + тп) 5гк

    1 2

    СФІ Ст ЖТК

    - = К; - = к; - = V .; - = К

    З З З з

    (1)

    де ^ 12н - пружна сила в напірному канаті; ^ 12п -упругая сила в підйомному канаті. Як можна бачити, аналізуючи (1), крім пружних сил при роботі електроприводів напору і підйому кар'єрного екскаватора виникають сили реакції зв'язків, а також сили, викликані зміною параметрів приводів, які створюють додаткову, не враховуються при використанні традиційного підходу. Таким чином, пропонована математична модель більш точно відображає динамічн-

    ські процеси, які відбуваються в механічної частини приводів напору і підйому.

    Пружна сила в напірному канаті F12h визначається залежністю:

    FUn = с "(г«% - (- so))>

    де - початкове значення вибігання рукояті. Для визначення F12n необхідно більш детально розглянути можливі стану підйомного каната. При зміні координат ковша, що приводить до зменшення довжини відрізка АВ (рис. 2), в реальному екскаваторі відбувається провисання підйомного каната. Таким чином, підйомний канат може перебувати тільки в розтягнутому або в нормальному стані. У зв'язку з цим залежність пружної сили в підйомному канаті від координат приводів напору і підйому є нелінійної і може бути описана як:

    1Fi2 "= з" (r "p" - (Lo- lab при lAB > Lo- r р;

    1F12 "= 0 при LAB < Lo - r "P" ,

    де L0 - початкове значення довжини каната на відрізку АВ, поточне значення якої визначається як:

    LAB = Vs2 + dL - Ч dcm cos (a - р).

    При використанні моделі (1) необхідно враховувати, що маса породи в процесі черпання збільшується. Зміна маси породи тп можна описати залежністю, яка передбачає, що ківш остаточно заповнюється при його піднятті на максимальний кут підйому р ^. В цьому випадку:

    Vp

    mn = (<Ф_Фо) - _

    фтах ф0 mn = Ve Р "> при Фе ^ Фт:

    ПРИ Фк <Фт

    де V - об'єм ковша; рп - об'ємна маса породи.

    Крім маси породи, при копанні змінюється також жорсткість пружних зв'язків. Цей параметр залежить від великої кількості факторів, найбільш істотним з яких є подовження каната. Оскільки загальна довжина напірного каната залишається незмінною, зміна його жорсткості буде незначним, тоді як жорсткість підйомного каната змінюється в більш широких межах. Сумарна жорсткість підйомного каната буде визначатися як [3]:

    _ ЇЇ

    ^ Лв ^^ нд

    де Е - модуль пружності каната; / - сумарна площа всіх дротів у канаті; ЬВС - довжина підйомного каната на ділянці від підйомного барабана до головного блоку (рис. 2).

    При використанні даної математичної моделі необхідно враховувати змінюється характер навантаження електроприводів. На величину навантаження впливають просторове розташування ковша і рукояті, неоднорідність грунту, непостійність координації підйомних і натиск-

    них русі, випадкові зміни висоти забою і кута повороту екскаватора при його роботі [4]. Будемо вважати, що сили опору різання Р01, Р02 носять випадковий характер, вага ковша з породою GKn носить детермінований характер, а вага рукояті Gp незмінний.

    Навантаження на привод напору складається зі складових сил опору, спрямованих уздовж рукояті ковша. З огляду на напрямок сил, показане на рис. 2, рівняння цієї навантаження має вигляд:

    Fi = Po2 + (GKn + Gp) sin%. (2)

    Навантаження на привод підйому визначається як момент сили, що складається зі складових сил опору, спрямованих перпендикулярно рукояті ковша. Рівняння цієї навантаження має вигляд:

    Mcn = P>A + Gp cos фк ^ s - j + GKn cos фк s. (3)

    Для остаточного опису навантаження взаємопов'язаних електроприводів підйому і натиску покажемо імовірнісний характер сил опору різанню Р01, Р02. Як правило, в розрахунках приймають, що Р02 = 0,1Р01 [5]. Для тангенциальной сили опору різання можна записати:

    P01 (t) = P01 (t) + P0 \ (t) +), (4)

    де P01 (t) - математичне очікування сили опору різанню; P001 (t) - низькочастотна випадкова складова, що характеризує варіацію товщини стружки; P0'1 (t) - високочастотна випадкова складова, що характеризує варіацію опору процесу екскавації. Кожна з цих випадкових величин описується відповідної кореляційної функцією. Таким чином, рівняннями (2) - (4) повністю визначається навантаження електроприводів підйому і натиску кар'єрного екскаватора.

    Аналіз роботи взаємопов'язаних приводів напору і підйому проводився методом комп'ютерного моделювання за допомогою програми, написаної в середовищі Delphi 7. При моделюванні використовувалися параметри кар'єрного екскаватора ЕКГ 8И з електроприводом, побудованим за системою ТВ-Г-Д. За початкове положення було прийнято стан, коли рукоять ковша розташована вертикально, ківш стоїть на землі. Моделювання проводилося в двох режимах: в режимі черпання ґрунту при наявності резкопеременной складової навантаження і збільшується масі породи і в режимі опускання навантаженого ковша з постійною масою породи. Результати моделювання представлені на рис. 3-6.

    Порівнюючи перехідні процеси струму якірного ланцюга приводу підйому, отримані за допомогою моделювання (рис. 3), з аналогічними перехідними процесами реального екскаватора, представленими в [1], можна виявити їх подібність, що підтверджує адекватність розробленої математичної моделі.

    Мал. 3. Струм ланцюга якоря приводу підйому

    Мал. 4. Положення ковша в просторі

    Згідно [2], регулятори систем управління приводів екскаватора налаштовуються на технічний оптимум виходячи з параметрів електричної частини і моменту інерції двигуна. При цьому не враховується ні наявність пружного зв'язку, ні зміна параметрів приводів. Отже, в реальних умовах роботи екскаватора протікають в ньому процеси будуть відрізнятися від технічного оптимуму. Аналізуючи графіки положення ковша, показані на рис. 4, можна зробити висновок, що як при операції черпання, так і при переміщенні навантаженого ковша в просторі відбуваються коливання, викликані пружністю канатів. На рис. 5 і 6 видно, що пружні коливання, як в напірному, так і в підйомному канаті мають частоту близько 2 ... 3 Гц і амплітуду порядку десятків кН, що представляє собою дворазове перевищення

    номінальних навантажень. Наявність таких коливань істотно збільшує утомлююча зношування, а, отже, знижує надійність функціонування як безпосередньо каната, так і екскаватора в цілому.

    Мал. 5. Пружна сила приводу напору

    Мал. 6. Пружна сила приводу підйому

    З вищесказаного можна зробити висновок, що застосування для електроприводів екскаватора систем підпорядкованого регулювання не може забезпечити необхідної безвідмовності його роботи. Для підвищення надійності кар'єрних екскаваторів необхідна заміна систем підпорядкованого регулювання більш досконалими системами, які враховують протікають в ньому динамічні процеси. Для синтезу таких систем управління необхідно використовувати математичну модель взаємопов'язаних приводів напору і підйому екскаватора.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Волков Д.П., Камінська Д.А. Динаміка електромеханічних систем екскаваторів. - М .: Машинобудування, 1971. - 384 с.

    2. Носирев М.Б., Карякін А.Л. Розрахунки і моделювання САУ головних електроприводів одноківшових екскаваторів. -Свердловськ: Изд-во СГІ, 1987. - 88 с.

    3. Степанов А.Г. Динаміка машин. - Єкатеринбург: УрВ РАН, 1999. - 392 с.

    4. Гайдукевич В.І., Титов В.С. Випадкові навантаження силових електроприводів. - М .: Вища школа, 1983. - 160 с.

    5. Подерні Р.Ю. Гірничі машини і комплекси для відкритих робіт. У 2-х т. - Т. 1. - М .: Изд-во МДГУ, 2001. - 422 с.

    Надійшла 27.12.2006 р.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити