ГЛАВНАЯ

РЕФЕРАТ

ССЫЛКИ

РЕЗУЛЬТАТЫ ПОИСКА

БИБЛИОТЕКА

ИНД. ЗАДАНИЕ


УДК 622.232
Д.т.н., проф. Горбатов П.А.
Донецкий национальный технический университет, Донецк, Украина

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ МЕХАТРОНИЧЕСКИХ ПОДСИСТЕМ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ


     Объектами исследований в настоящей работе явились проходческие комбайны стреловидного типа, оснащенные аксиальными фрезерными исполнительными органами, при реализации современных технологических схем обработки забоя на основе доминирующих поворотных перемещений стрелы в горизонтальной плоскости.
     Основными управляемыми при изменении свойств разрушаемых массивов режимными параметрами для проходческих комбайнов стреловидного типа могут быть:
     Для бесступенчатого или многоступенчатого изменения скорости Vn используется дроссельное или объемное регулирование гидропередачи «насос -исполнительные гидроцилиндры». При этом более совершенным, безусловно, является объемное регулирование на основе насосов с регулируемой подачей, т.к. дроссельный вариант характеризуется низким КПД и существенным нагревом рабочей жидкости.
     При обработке забоя с крепкими породами и использовании известного алгоритма автоматизированного управления скоростью Vn, обеспечивающего стабилизацию на заданном уровне среднего значения мощности Рр асинхронного с короткозамкнутым ротором электродвигателя подсистемы ПИО при Vp = const, может проявляться недостаток этого варианта, когда из-за необходимости регулирования толщин стружки на резцах (h = var) имеют место потери теоретической производительности (Q = var).
     Альтернативный вариант однопараметрического бесступенчатого или многоступенчатого автоматизированного управления скоростью Vp может быть реализован при построении подсистем ПИО на базе современных частотно-регулируемых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, что представляется особенно актуальным для выемки крепких пород. В этом случае целесообразно использовать алгоритм управления, соответствующий стабилизации среднего уровня момента на валу исполнительного органа (ИО) Мр = const при h = var, Pp = var, Vn = const, Q = const (известные изменения Vn и Q (порядка до 10 - 20 %) при поворотных перемещениях стрелы, обусловленные кинематикой подсистемы ППО, в настоящей работе, носящей концептуальный характер, в первом приближении не рассматриваются). При таком построении подсистемы ПИО появляется возможность значительно повысить технико-экономический уровень тяжело нагруженного редуктора привода ИО на основе упрощения его конструкции и улучшения параметров надежности.
     Вариант двухпараметрического регулирования (Vn = var, Vp = var), соответствующий стабилизации толщин стружки на резцах (h = const) при Мр = var, Рр = const и Q = var, по нашему мнению, представляется весьма технически сложным и требует целенаправленных исследований и обоснования его технико-экономической целесообразности.
     Рассмотрим предлагаемую концепцию проектирования подсистем ПИО проходческих комбайнов на базе частотно-регулируемого асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором с бесступенчатым или многоступенчатым управлением режимным параметром Vp в соответствии с приведенным выше алгоритмом.
     Известно [1], что работоспособными такие подсистемы могут быть только на базе автоматизированного управления. Поэтому при их проектировании должен обеспечиваться мехатронический подход, т.е. рассматриваемые подсистемы должны создаваться как органически целостные электро-механо-электронные системы, включающие в качестве изначально одинаково важных, технически равноправных не только электрические и механические структурные единицы, но и аппаратуру автоматизации.
     Рассмотрим отличительные особенности нетрадиционных этапов итерационного характера при проектировании мехатронических подсистем ПИО исполнений проходческих комбайнов, предназначенных для обработки забоев с крепкими породами.
     I. Установление исходных данных для проектирования. Для этой цели на основе требований заказчика и учета ограничивающих факторов с использованием метода экспертных оценок задаются:
  1. требуемым максимальным значением предела прочности разрушаемых пород при одноосном сжатии асжв;
  2. оценками значений минимально допускаемой теоретической производительности QH и максимально допускаемых удельных энергозатрат при резании WаBB, которые можно считать приемлемыми при разрушении пород;
  3. исходным (первым) пакетом значений параметров, обеспечивающих достижение QH: величины заглубления ИО в массив Bз1, толщины разрушаемого слоя Нс1 (эти параметры также относятся к управляемым режимным) и рабочей скорости подачи Vnp1;
  4. максимальным при автоматизированном регулировании значением скорости резания Vpв; при этом необходимо иметь ввиду, что в соответствии с результатами исследований Донгипроуглемаша [2] целесообразно отдавать предпочтение диапазону Vp примерно до 2 м/с, т.к. при выемке крепких и абразивных пород при более высоких значениях Vp резко интенсифицируется износ резцов.

     II. Определение значения скорости подачи Vn1, соответствующего обеспечению заданных в качестве исходных данных удельных энергозатрат WBB при реализации асжв и Vpв.
     Для этого:
  1. при выбранных значениях асжв, Bз1 и Hc1 на базе ОСТ 12.44.197- 81 (или других методик при их наличии) выполняется построение оценочных зависимостей момента на валу ИО Mв1 = Mв1 (h) и удельных энергозатрат Wв1 = Wв1 (h) от толщин стружки h, см. рисунок;
  3. определяется наименьшее при автоматизированном управлении значение толщины стружки hн1, соответствующее заданному значению WBB;
  4. находится оценочное значение скорости подачи Vn1, соответствующее реализации параметров hн1 и Vpв (m - число резцов в линиях резания):
    формула Vn1
Установление основных параметров подсистем ПИО
Рисунок - Установление основных параметров подсистем ПИО

     III. Установление параметров, обеспечивающих достижение заданных значений QH, WBB при реализации aсжв:
  1. если выполняется соотношение Vn1 >= Vnp1, то требование второго подэтапа I этапа выполнены и можно переходить к выполнению этапа IV;
  2. если Vnl < Vnp1, тo:
    • формируется второй пакет значений параметров Вз2, Нс2, Vnp2, обеспечивающих достижение заданного значения QH;
    • по схеме, изложенной в содержании этапа II, для указанного выше пакета выполняется построение зависимостей Мв2 = Мв2 (h) и WB2 = WB2 (h), находятся значения hH2 и Vn2;
  3. работа, содержание которой изложено в подэтапе 2 III этапа, повторяется до тех пор, пока в результате i-й итерационной процедуры не будет достигнуто соотношение Vni >= Vnpi; после этого можно переходить к выполнению этапа IV;
  4. или все же не удается обеспечить выполнение условия Vni > Vnpi, то необходимо вернуться к этапу I и на базе соответствующих компромиссов смягчить требования к QH, WBB или даже к асжв.

     Следует иметь ввиду, что реализация значений рабочей Vnp (методика определения приведена выше) и маневровой Vnм (для быстрых перегонов ИО) скоростей подачи может быть обеспечена путем подключения к исполнительным гидроцилиндрам разного числа нерегулируемых насосов или секций нерегулируемого насоса, что соответствует самому простому исполнению подсистем ППО.
     IV. Выполнение эскизного проекта редуктора и выбор электродвигателя подсистемы ПИО:
  1. определяют требуемый средний уровень момента на валу исполнительного органа Мр как ординату точки А, см. рисунок;
  2. эскизное проектирование редуктора должно осуществляться на базе следующих подходов: - ось электродвигателя должна быть параллельна оси ИО, что позволяет избавиться от конических зубчатых колес, обладающих рядом весьма существенных недостатков, такими как: пониженная несущая способность, необходимость регулировки при сборке положения колес конической пары с целью получения требуемого пятна контакта зубьев, повышенная чувствительность к перекосам валов, наличие осевых усилий и необходимость установки осевых подшипников, воспринимающих эти усилия, усложненная конструкция валов в сборе, которые в своей совокупности значительно ухудшают показатели надежности редуктора; - стремятся к проектированию наиболее короткой кинематической цепи в пределах компоновочных и габаритных возможностей на основе цилиндрических зубчатых передач с минимальным количеством силовых элементов и минимально возможным передаточным числом Ир; - при формировании на ИО момента Мр соответствующими конструкторскими и технологическими решениями должны быть обеспечены требуемые прочностные запасы наименее жизнестойких структурных элементов (зубчатых колес, валов, подшипников и др.);
  3. реализация момента Мр должна соответствовать области устойчивой работы выбранного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором, т.е. должно выполняться условие:
    формула Mycт

         где Муст - устойчивый момент электродвигателя,

         nр- КПД редуктора;
  4. в случае, если габаритные ограничения являются столь жесткими, что не позволяют добиться необходимых прочностных запасов деталей редуктора или установить электродвигатель с требуемыми силовыми параметрами, то следует вернуться к этапу I для смягчения требований к соответствующим исходным данным на основе компромиссного подхода.
        
V. Установление нижнего значения предела прочности разрушаемых пород при одноосном сжатии aсжн, обеспечиваемого рассматриваемым исполнением подсистемы ПИО:
  1. исходя из ограничения по вылету резцов, определяется наибольшая при автоматизированном управлении толщина стружки hB и соответствующая ей скорость резания Vpн (значение Vпp установлено ранее);
  2. путем построения промежуточных зависимостей Mп1 = Мп1(h), Мп2 = Мп2(h) и т.д. при понижающихся значениях aсж1 < aсжв, aсж2 < aсж1 и т.д. находят aсжн, соответствующее оценочной прямой Мн = Мн(h), проходящий через точку В, см. рисунок.

     То, окончательно устанавливается область применения исполнения проходческого комбайна с мехатронической подсистемой ПИО по пределу прочности разрушаемых пород aсж е [aсжн; aсжв]. Одновременно находится требуемый диапазон автоматизированного регулирования частоты вращения ИО nоб e [nобн; nобв], соответствующий диапазону изменения скорости резания Vp e [Vpн;Vpв].
     Рассмотрим предлагаемые принципы формирования искусственных статических механических характеристик асинхронных электродвигателей мехатронических подсистем ПИО на основе регулируемого по частоте f и величине действующего значения U напряжения питания электропривода.
     Преобразовательная станция должна обеспечивать реализацию управляющего алгоритма в соответствии с правилом М.П.Костенко:
формула Костенко

     При этом регулирование f и U должно осуществляться вниз от номинальных значений этих параметров, т.е f < fc и U < Uн, где fc = 50 Гц и Uн - номинальные значения рассматриваемых параметров.
     Указанный алгоритм управления скоростью Vp обеспечивает практическую стабилизацию:
     а) среднего уровня момента на валу электродвигателя Мр (Ир, ?р)-1 в диапазоне частот вращения ротора электродвигателя w e [wн; wв], соответствующем диапазону частот вращения ИО nоб e [nобн; nобв] ;
     б) перегрузочной способности электродвигателя по отношению к реализуемому на ИО моменту Мр, т.к. оценочно:
формула Lambda_p

     где Мк - критический момент электродвигателя в условиях питания от реальной сети;
     р - число пар полюсов;
     L1, L2' - индуктивности статора и приведенная ротора;
     а - коэффициент пропорциональности.
     В заключение следует подчеркнуть, что в соответствии с вышеизложенным сценарием можно проектировать мехатронические подсистемы ПИО проходческих машин для конкретных условий эксплуатации, т.к. разработанная концепция обеспечивает высокий уровень адаптации комбайнов к индивидуальным заказам потребителей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

     1. Горбатов П.А., Петрушкин Г.В., Лысенко Н.М. Горные машины и оборудование - В 2-х т. ТЛ - Донецк: РИА ДонНТУ, 2003. - 295 с.
     2. Мизин В.А., Мизин СВ. Обоснование кинематической схемы привода исполнительного органа проходческого комбайна для оптимизации режимов разрушения пород различной крепости // Инженер. - Донецк: ДонНТУ, 2003. № 3. - С. 144 - 146.




Автор: Горбатов П.А.   Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, 2004.
ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ> |Главная | Реферат | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание