Одно из основных направлений повышения производительности роторного экскаватора - автоматизация управления экскаватором.

В зависимости от размеров и формы экскавируемых массивов возможны различные режимы работы роторных экскаваторов. Например, режим валовой выемки породы и режим обработки поверхностей при селективной выемке пород из забоя и при формировании нижней площадки уступа.

При валовой выемке режущие кромки ковшей при движении ротора в забое входят в соприкосновение только с боковыми поверхностями экскавируемого тела, ограничивающими поворот роторной стрелы. Траектории движения ротора заполняют часть пространства, соответствующую экскавируемому телу, с густотой, зависящей от размеров и конструкции ротора и его ковшей. Однако положение этих траекторий относительно границ тела в значительной мере произвольно, за исключением начальных и конечных точек, которые должны быть привязаны к боковым ограничивающим поверхностям.

При обработке поверхностей необходима определенная взаимосвязь между положением обрабатываемой поверхности и положением траекторий движения ротора на всем их протяжении, обеспечивающая касание обрабатываемой поверхности режущими кромками ковшей. Очевидно, что эта взаимосвязь неоднозначна, поскольку поверхность может быть обработана различными способами, при которых траектории движения центра ротора могут иметь различную форму, направление и густоту.

Таким образом, траектории движения центра ротора в пространстве достаточно задать с точностью до объема при валовой выемке и с точностью до поверхности при обработке поверхностей. В обоих случаях положение концов траектории определяется с точностью до боковых ограничивающих поверхностей. Благодаря этому каждая отдельная траектория движения ротора внутри экскавируемого массива при валовой выемке может быть обеспечена работой только одного исполнительного механизма (механизма поворота стрелы), а при обработке поверхностей - согласованной работой только двух механизмов (поворота и подъема).

Для управления роторным экскаватором при вскрышных и добычных работах необходима информация о параметрах и пространственном положении обрабатываемых и ограничивающих поверхностей экскавируемых массивов, о положении ротора относительно этих поверхностей, о параметрах стружек.

При ручном управлении экскаватором без специальных средств контроля машинист может наблюдать положение ротора относительно свободных поверхностей, но почти не в состоянии без посторонней помощи обеспечить качественное формирование нижней площадки и внутреннего бокового откоса и тем более качественную селективную выемку. Применение автоматизированных средств контроля положения ротора в пространстве относительно граничных поверхностей экскавируемых массивов в значительной степени облегчает работу машиниста и способствует повышению качества ведения горных работ. Однако при ручном управлении информация, получаемая с помощью этих средств, используется далеко не полностью и не всегда наилучшим образом.

Оптимальное использование роторных экскаваторов учитывается рациональным проектированием карьера и выбором системы разработки. Основные технологические параметры - ширина заходки и продольный размер блока определяются из условия максимального использования геометрических параметров роторного экскаватора.

При цикличном повторении одной и той же последовательности технологических операций, характерном для роторных экскаваторов, целесообразно применять автоматизированное программное управление. Оно создает благоприятные условия для эффективного использования локальных систем автоматического регулирования и управления.

Известные устройства и системы программного управления роторными экскаваторами относятся к классу систем жесткого программного управления. Все эти системы предназначены для управления роторным экскаватором в режиме валовой выемки и построены по принципу позиционного управления исполнительными приводами. При этом координаты рабочего органа задаются только на концах траекторий у боковых границ экскавируемого массива.

Устройство разовой подачи (рис.5.3) обеспечивает возможность кнопочного или релейного управления операциями перемещения ротора при переходе от одного реза к другому. В позиционной следящей системе с устройством дозированной подачи машинист поворачивая ротор сельсина устанавливает дозированную подачу рабочего органа на требуемую толщину стружки. При этом электромагнитная муфта 6 отключена, а ротор сельсина-датчика перемещения 7 находится в исходном положении, согласованном с заторможенным ротором сельсина возврата 8. Для выполнения дозированной подачи машинист включает реле К и муфту 6, которая соединяет ротор сельсина-датчика 7 с контролируемым механизмом хода или подъема стрелы 5. Сельсин-задатчик 1 через фазочувствительный выпрямитель 2, усилитель 3, привод 4 и механизм 5 оказывается подключенным к датчику 7, и сигнал, зависящий от их углового рассогласования, поступает в замкнутый контур силовой следящей системы, которая отрабатывает заданное дозированное перемещение. При этом дистанционная передача на сельсинах 7 и 1 работает в трансформаторном режиме. Для возврата схемы в исходное состояние машинист отключает реле К и муфту 6. При этом ротор сельсина-датчика 7 отсоединяется от механизма 5 и под действием собственного синхронизирующего момента возвращается в исходное положение, согласованное с сельсином 8. Схема подготовлена к следующей дозированной подаче.

Рис.5.3 Упрощенная схема позиционной следящей системы с устройством дозированной подачи

Роторные экскаваторы, выпускаемые в ГДР, комплектуются простой полуавтоматической системой программного управления приводами поворота и хода. В этой системе правый и левый углы поворота стрелы и значение наезда на толщину стружки задаются машинистом с помощью многопозиционных переключателей, находящихся на пульте управления. Фактический угол поворота стрелы контролируется многопозиционным контактным датчиком, выполненным в виде коллектора со щеткой и установленным на редукторе поворотного механизма. Пластины коллектора подключены к контактам переключателя, задающего угол поворота. При совпадении заданного и действительного углов поворота стрелы щетка контактного датчика замыкает цепь реле, которое отключает привод поворота и включает привод хода. Датчик хода экскаватора выполнен в виде кулачкового диска, воздействующего на контактный прерыватель.

Прерыватель включен в цепь питания обмотки шагового искателя, ламели которого соединены с контактами переключателя, задающего толщину стружки. При совпадении заданной толщины стружки и действительного значения наезда привод хода отключается. На этом цикл операций (поворот - наезд) заканчивается. Чтобы выполнить следующий цикл, машинист должен включить привод поворота стрелы. Для компенсации влияния серповидного реза в системе предусмотрено также программное управление скоростью поворота стрелы с использованием отдельного контактного датчика угла поворота стрелы (коллектор со щеткой), переключающего ступени сопротивлений в цепях управления приводом поворота.

Особенность работы роторных экскаваторов с выдвижной стрелой заключается в концентричности резов, выполняемых с одной стоянки экскаватора. Поэтому длина реза и углы поворота роторной стрелы в пределах экскавируемого вскрышного блока различны для каждого реза. Вследствие этого при программировании процесса выемки блока необходимо каждый предельный угол поворота задавать отдельно. У большинства экскаваторов с выдвижной стрелой механизмы подъема и выдвижения стрелы неавтономны. Это приводит к необходимости программирования координат движения и подъема стрелы для предельных положений стрелы в каждом резе. Поскольку число резов в блоке составляет несколько десятков, то число программируемых координат при выдвижной стреле достигает нескольких сотен. Это может привести к необходимости применения программоносителей большой емкости.

В тех случаях, когда несколько экскаваторов работают на один сборный конвейер, требуется, чтобы каждый из них поддерживал заданную диспетчером комплекса производительность. Для этого в ГДР было разработано устройство, предназначенное для согласования производительности двух экскаваторов, работающих на один конвейер. Вычислительный блок анализирует поступающую информацию о производительности каждого экскаватора, измеряемой с помощью изотопных излучателей, расположенных над конвейером, и о его положении относительно сборного конвейера. На основе этой информации определяется производительность, задаваемая каждому из экскаваторов. Во всех случаях применения систем автоматического управления процессом экскавации отмечается их эффективность, проявляющаяся в повышении производительности экскаватора. на 10-30 %, уменьшении размаха колебаний мощности и производительности от их среднего значения на 25-40 %, снижении нагрузок узлов и конструкций экскаваторов, облегчении работы машиниста.

5.3 Автоматизированные системы управления процессами бурения

5.3.1 Принципы регулирования и управления режимами бурения

В вопросах разработки и внедрения автоматизированной системы управления особое место отводится автоматизированному управлению бурением взрывных скважин. Управление процессами бурения предусматривается во всех АСУ ТП карьеров и сохранит свое значение для горного предприятия будущего. Автоматизация процессов бурения позволяет повысить производительность буровых станков, увеличить объемы добываемого полезного ископаемого и снизить его себестоимость.

Режим работы бурового станка характеризуется значениями технологических параметров бурения. Буровой станок работает в условиях высокой неопределенности, вызванной чередованием горных пород различной крепости (буримости). Таким образом, при ручном управлении процессами бурения невозможно обеспечить оптимальность режима бурения.

При автоматизации процесса бурения возникает весьма сложная задача - выбор принципа управления режимами бурения. Известны различные принципы управления и оптимизации режимов бурения: с использованием модели бурения; с использованием модели бурения и поиском экстремума; с измерением производных; с идентификацией горных пород; с поиском экстремума; с бес поисковой экстремальной настройкой; с управлением по параметрам вибрации и др. Рассмотрим эти принципы.

Принцип управления режимами бурения на основе исходной модели бурения. Этот принцип основан на допущении, что вид модели бурения остается неизменным, а изменяются лишь ее параметры.

Исходная модель может быть получена путем статистической обработки данных, полученных в процессе экспериментов или в режиме нормальной работы бурового станка. К преимуществам принципа относятся: простота аппаратурной реализации и обеспечения устойчивости управляющих систем, высокое быстродействие и использование некоторых реализованных систем. Недостатки обусловлены жесткостью алгоритма управления, отсутствием учета ряда факторов (абразивности и трещиноватости пород, не стационарности массы бурового става), необходимостью большого объема предварительных исследований. Этот принцип имеет перспективу широкого и эффективного применения на практике.

Принцип регулирования режимов бурения в функции крепости пород используют при управлении шарошечными станками. Параметры бурения - осевая нагрузка G, частота вращения n и скорость бурения vм изменяются согласно уравнениям:

G = G0 + af;

n = n0 + b/f;

vм = v0 + c/f,

где G0, n0, v0, - начальные осевая нагрузка, частота вращения, скорость бурения; a, b, c - постоянные коэффициенты, зависящие от буримых пород, типа долота и т.д.; f - коэффициент крепости пород по шкале проф.М. М. Протодьяконова.

Рис.5.4 Графики, иллюстрирующие принципы управления режимами бурения: а-в функции крепости пород: б-с использованием внешней характеристики системы подачи; в - путем анализа на плоскости управляющих воздействий; г - Gn=const

Исходный режим бурения выбирается путем изменения первичных настроек управляющей системы в соответствии с технологической картой оптимальных режимов бурения. Например, если задана начальная крепость пород fн, то задаются оптимальными значениями Gн и nн начального режима бурения путем подбора параметров G0 и n0. Затем настраивают параметры а и b в двух-трех различных породах путем настройки органов, влияющих на эти параметры.

Поскольку крепость породы не поддается прямому измерению, предложены модификации рассматриваемого принципа, в которых крепость оценивается по устанавливающимся осевым усилиям или скоростям подачи бурового инструмента.