CC BY
57
С.Е. Иконников
Московский государственный горный университет
СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРА НАТЯЖЕНИЯ ТЯГОВЫХ КАНАТОВ
МОЩНОГО ДРАГЛАЙНА
Опыт эксплуатации мощных экскаваторов-драглайнов показывает, что возникновение динамических нагрузок в тяговом механизме связано с режимом стопорения ковша, из-за которого усилие натяжения тяговых канатов значительно превышает заданное стопорное значение, что может привести к обрыву каната и возникновению аварийной ситуации.
Для стабилизации максимального натяжения тяговых канатов предложены варианты автоматизированных устройств. Для решения этой задачи наиболее целесообразно применить параллельную коррекцию, при которой регулятор и датчик натяжения тяговых канатов, образуя контур регулирования усилия натяжения, взаимодействуют с экскаваторным электроприводом тяги через логический блок выделения минимального сигнала [1].
Разработан метод синтеза регулятора натяжения тяговых канатов при параллельной коррекции электропривода тяги для идеализированного режима жесткого стопорения ковша при влиянии момента сопротивления от усилия в упругом канате [1].
В данной статье рассмотрен синтез регулятора усилия натяжения тяговых канатов в режиме реального стопорения ковша при влиянии момента сопротивления. По результатам аналитического синтеза были проведены исследования динамических процессов в САР натяжения тяговых канатов при помощи цифрового моделирования на 1ВМ РС на примере экскаватора-драглайна типа ЭШ 20. 90.
На рисунке показана структурная схема системы автоматического регули-
рования (САР) натяжения тяговых канатов с экскаваторным электроприводом постоянного тока, выполненного по системе “генератор-двигатель” с тиристорным возбудителем.
При исследовании электропривода тяги и САР натяжения тяговых канатов в процессе синтеза регулятора усилия принимаются допущения, которые состоят в том, что:
- процесс стопорения ковша начинается в момент окончания копания грунта с номинальной толщиной стружки при номинальной скорости электропривода тяги;
- непреодолимое препятствие в процессе стопорения при взаимодействии с ковшом имитируется линейной пружиной без обратной отдачи.
Сила упругости г пр такой пружины
равна:
Рпр-Сгр*1к, (1)
где Сгр - жесткость грунта на смятие;
1К - перемещение ковша вдоль забоя с момента начала стопорения.
При этом путь 1 к, пройденный ковшом при стопорении, равен:
1к — Гб Ут - и^г,
где Гб - радиус барабана лебедки тягового механизма:
Ут - угол, на который повернулась лебедка тяги за время стопорения;
ит - деформация тяговых канатов.
Усилие в тяговых канатах Бт равно:
ST = Ct Ut = Ст Гб / Ip YT = t
= CT Гб / Ip \ wdt,
о
где Ст - жесткость тяговых канатов;
1Р - передаточное отношение редуктора механизма тяги; w - угловая скорость механизма тяги. Действие всех сил на ковш при стопорении записывается в виде уравнения:
МЛ-Sr-Pnp-PTp. (2)
где Мк - масса груженного ковша;
Ртр = b iK - сила трения, действующая на ковш при стопорении, b - постоянный коэффициент. С учетом выражения (1) уравнение (2) примет вид:
Мк Ik ^ к Сгр 1 к — St ■
Момент сопротивления Мс, приведенный к валу двигателя равен:
Mc=r6*ST/(Ip*n).
где п - КПД редуктора механизма тяги.
При стопорении выполняется условие: Р,ф =
ScToiit Где ScTon - СТОПОрНОе
усилие в тяговых канатах: тогда справедливо выражение
Сгр = Sctom / ljc . (3)
При I* = 0 имеет место идеализированный режим жесткого стопорения ковша, в котором возника-
ют наиболее тяжелые динамические нагрузки [1].
На схеме приняты обозначения: Се, См - конструктивные постоянные двигателя; К™, Кг, Кя, Кдн, Кдг, Кдтнк - передаточные коэффициенты тиристорного возбудителя, генератора, якорной цепи двигателя, датчиков напряжения, тока и натяжения тяговых канатов; Ттв, Тг, Тя, Тм
- постоянные времени тиристорного возбудителя, генератора, якорной цепи, электромеханическая двигателя; ТЛск - напряжение командоаппарата тяги.
В качестве датчика натяжения тяговых канатов ДНТК используется устройство измерения усилия по статической составляющей тока силовой цепи.
При синтезе в качестве регулятора усилия натяжения тяговых канатов РНТК принимается ПД - регулятор с передаточной функцией:
\Урмте(р) = Кп(Тлр + 1),
где Кп - коэффициент пропорциональности;
Тд - время дифференцирования. Сигнал изн задания регулятору РНТК соответствует заданному максимальному натяжению тяговых канатов, равному стопорному значению Бстоп.
В качестве регулятора РТ тока силовой цепи І» был принят ПИ - регулятор с передаточной функцией:
\Урт(р) = (Трт р + 1) / Т„ р,
где Трт и Ти - постоянные времени регулятора тока.
При оптимизации замкнутого контура регулирования тока параметры РТ рассчитывались исходя из критерия “модульного оптимума” [2].
В качестве регулятора PH напряжения генератора иг был принят П - регулятор с передаточной функцией:
\УР„(р) = Кр„,
где Крн - передаточный коэффициент регулятора напряжения.
Tr + Ti + K*T,
Ai = 11... 1L........-Iя ; (5)
Vo + K)
2 a|c -p2 4c
To Tr
А;. тут.+т* (6)
Щ 1 + к)*(т5*тг>2
Используя метод стандартных коэффициентов [3] и приняв:
А| = Аг = 3 из условия оптимизации по быстродействию при отсутствии колебательности и минимального перерегулирования можно выразить из выражения (6) оптимальное значение К:
к_ (Тг*т,+тУ _1 (7)
а1*(т^*тг)2
Выражение (7) подставим в (5) и определим оптимальное значение Тд:
Тя = ^ * (А, * \1(\ + К)2 *То *ТГ _ТГ~ Т1).
14
В режиме жесткого стопорения ковша, когда Сгр = °о, выполняется равенство: Сс = Ст.
Для экскаватора-драглайна типа ЭШ 20.90 в результате расчета параметры регулятора оказались равны:
Кп= 1.034 с.; Тд= 0.431 с.
Как показала практика, в режиме реального стопорения (1к * 0) максимальный путь ковша равен приблизительно 0,4 м. При значениях 1к отличных от нуля, жесткость грунта Сгр вычисляется по (3), при этом суммарная жесткость грунта и тягового каната Сс уменьшается с увеличением 1К.
Синтез регулятора усилия РНТК при 1К * 0 выполняется аналогично как для режима жесткого стопорения, однако с учетом изменения суммарной жесткости Сс. Результаты расчетов занесены в таблицу:
1к, М С.,, кН/м Сс, кН/м К„ Тл
0 00 4400 1.03 0.43
0.1 12000 3219.5 1.37 0.45
0.2 6000 2538.5 1.7 0.46
0.3 4000 2095 2.06 0.47
0.4 3000 1784 2.39 0.48
При моделировании САР натяжения тяговых канатов с учетом нелинейных элементов и расчетными коэффициентами для экскаватора-драглайна ЭШ 20. 90 на IBM PC были получены графики переходного процесса регулирования усилия в тяговых канатах при различных значениях 1К и сделан вывод о том, что выбранная структура САР натяжения тяговых канатов и методика синтеза регулятора усилия РНТК является оптимальной для исследуемой модели экскаваторного электропривода и механизма тяги драглайна.
Поскольку техническая реализация регулятора усилия выполняется на программируемом микропроцессорном контроллере, то с целью определения допустимой величины периода квантования по времени Т было проведено моделирование САР натяжения тяговых канатов с учетом ЦАП, АЦП и цифрового ПД -регулятора РНТК.
Исследования показали, что период квантования по времени Т не должен превышать 0.025 с., чтобы качественные показатели в дискретной системе практически не отличались от их значений в аналоговой системе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ломакин М.С., Косорыгин B.C., Кулешов И.С. Синтез регулятора натяжения тяговых канатов драглайна. М., Мги, 1988.
2. Ключев В.И. Теория электропривода: учебник дня ВУЗов. - М., Энергоиздат, 1985.
3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М., “Наука”, 1975.
© С.Е. Иконников
