Размещено на http://www.allbest.ru/

51

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СЕВЕРОКАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Факультет: Электромеханический

Кафедра: Электропривода и автоматики

Специальность «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЕ

На тему: «Расчёт, анализ и моделирование нагрузок, возникающих при работе карьерного экскаватора ЭКГ-8И»

Студент гр. ЭА-99 Саханский Ю.В.

Руководитель: доц. Годжиев.А.А.

Консультанты:

По БЖД: д.т.н. проф. Кондратьев Ю.И.

По экономике: асс. Лолаев А.Э.

Заведующий кафедрой: Кибизов К.В.

Владикавказ

Содержание

Введение

Глава 1. Технические характеристики экскаватора ЭКГ-8И

Глава 2 Расчёт параметров механизмов подъёма и напора

2.1 Расчёт параметров двухмассовой структурной схемы для привода напора

2.2 Расчёт параметров двухмассовой структурной схемы для привода подъёма

Глава 3. Синтез системы управления

3.1 Синтез линейных СУ ДЭМС

3.2 Синтез системы управления напора

Глава 4. Моделирование нагрузок

Глава 5. Фильтры

Глава 6. Безопасность жизнедеятельности

Глава 7. Технико-экономический расчёт

Литература

Введение

Моя дипломная работа направлена на повышение эффективности процесса добычи полезных ископаемых.

На отечественных карьерах широко применяются экскаваторы типа ЭКГ, большая часть которых эксплуатируется в течение 10-20 лет. На них применяется система Г-Д обладающая рядом достоинств:

- способность устойчиво работать в условиях слабых карьерных сетей.

- высокий коэффициент мощности cos .

- относительно простая по структуре схема управления скоростью двигателей.

Недостатки существующих схем управления главными приводами (подъёма, напора, поворота) в основном связаны с применением устаревшей схемы управления, выполненной на суммирующих магнитных усилителях.

Эти недостатки проявляются в следующем:

- неплавность регулирования скорости двигателей (из-за дискретности задающих воздействий).

- значительные динамические нагрузки, особенно проявляющиеся в скальных забоях.

- относительно низкое быстродействие магнитных усилителей

- недоиспользование возможностей системы Г-Д по гашению колебаний в главных механизмах.

Основная причина недостатков происходит от того, что главные механизмы являются двухмассовыми механическими системами с нежёсткой кинематикой, которые дополняются ещё рядом ёмкостей электромагнитной энергии. На работу электромеханических систем в целом неблагоприятно влияют наличие ряда больших постоянных времени, нерациональная электромеханическая связь, неоптимальный наклон рабочего участка механических характеристик, неэффективное устройство ограничение тока. Всё это приводит к появлению различных упругих, иногда и знакопеременных, колебаний нагрузок и скорости.

Производительность и надёжность экскаватора, работающего в тяжёлом забое, в основном определяется свойствами подъёмно-напорного механизма.

Поэтому моя дипломная работа посвящена исследованию режимов нагрузки этих механизмов и способу и средств такого распределения нагрузок в этих механизмах, при которых можно уменьшить перегрузки без ущерба для производительности.

Проверка теоретических разработок в моей работе выполняется на примере экскаватора ЭКГ-8И. Наиболее часто применяемом на карьерах. Поэтому в 1-ой и 2-ой главах приведены технические характеристики этого экскаватора и расчёт параметров механизмов подъёма и напора.

Обычно синтез систем управления механизмов подъёма и напора выполняется без учёта упругой связи. При этом получаются простые регуляторы (пропорциональный U_Г и пропорционально-интегральный регулятор тока). Но, регуляторы, рассмотренные по такой методике, как раз и приводят к высоким динамическим перегрузкам. На кафедре ЭА проф. Кибизовым и доц. Годжиевым были разработаны варианты построение СУ с учётом упругой связи: с линейной и нелинейной обратной связью на упругой нагрузке. В третьей главе моей работы выполнен синтез трёх вариантов.

Проверку свойств трёх вариантов удобно выполнить на электронной модели (МОДО-С или Maple).

Соответствующие модели и анализ результатов приведены в главе 4.

Как проверить результаты полученные в главе 4? Наилучший способ - проверить на действующем экскаваторе работающем в реальном забое. Желательно проверку выполнить на модели, но тогда возникает задача создания модели адекватной нагрузки механизмов экскаватора. В главе 5 предпринята соответствующая попытка.

В главе 6 рассмотрен анализ возможных вариантов защиты машиниста экскаватора от вибрации, возникающей при работе экскаватора.

В главе 7 дана оценка предложенных решений.

Глава 1. Технические характеристики экскаватора ЭКГ-8И

экскаватор нагрузка механизм вибрация

Ёмкость ковша V_КОВ= 8м³

Длина стрелы L_C = 13.35 м

Длина рукояти L_Р = 11,43 м

Продолжительность цикла в забое средней экскавируемости при повороте на 90^о t_Ц = 28 с

Масса рукояти

Масса ковша

Масса рабочего оборудования (ковша с рукоятью) m_РО = 25800 кг.

Масса поворотной платформы

Масса экскаватора

Среднее значение радиуса инерции платформы

Номинальная скорость подъёма V_П.Н = 0,94 м/с

Номинальная скорость напора V_Н.Н. = 0,46 м/с

Технические данные электромашинного преобразовательного агрегата

Тип приводного синхронного двигателя СДЭУМ-14-29-6У2

Номинальное напряжение U_СД.Н = 6000/3300 В.

Ротор имеет короткозамкнутую пусковую обмотку, в схеме предусмотрен автоматический ввод в синхронизм.

Кроме СД, электромашинный агрегат содержит три генератора постоянного тока, причём один из них работает только на двигатели подъёмного механизма, а два других (напорного и поворотного) переключаются на двигатели хода.

Далее будут применяться следующие индексы переменных:

- в приводе подъёма «п»

- в приводе напора «н»

- в приводе поворота «в»

Если надо будет отметить переключение генераторов на привод хода, то индексы будут «н-х», «в-х».

Технические параметры генераторов

№	Привод	П	Н-Х	В-Х
1	Тип генератора	ПЭМ-151-8К	ПЭМ-2000М	ПЭМ-141-4К
2	Ном. мощность генератора	500	115	250
3	Ном. скорость вращения,	1000	1000	1000
4	Ном. напряжение якоря,	560	330	630
5	Ном. ток якоря	895	348	397
6	Ном. КПД	0,932	0,92	0,925
7	Ном. напряжение возбудителя	238,5	231	230,5
8	Ном. ток возбудителя	29	19,3	12,5
9	Число пар полюсов	3	2	2
10	Число витков обмотки якоря на полюс	300	185	171
11	Соединение обмоток якоря	6	1	2+2
12	Магнитный поток полюса	0,0578	0,0546	0,07
13	Число витков обмотки возбуждения на полюс	220	280	360

Сопротивление обмоток генератора при 20^оС

Якоря RЯГ, Ом	0,0075	0,0112	0,0355
Добавочных полюсов RДПГ, Ом	0,00153	0,00385	0,0054
Компенсационной об-ки RКОГ, Ом	0,00516	-	0,0139
Обмотки возбуждения RОВГ, Ом	2x0,96	2x1,3	2x1,95

Технические параметры двигателей

Привод	Подъём	Н/х	В/х
Тип двигателя	2xДЭ-816
Номинальная мощность	2190
Номинальная скорость	720
Номинальное напряжение	2300
Число пар полюсов	2	2	2
Сопрот-ие обмотки якоря	20,0055
Сопрот-ие доб. плюсов	0,0032

Характеристики электроприводов экскаватора типа ЭКГ-8И

Электромеханическая система (ЭМС) напора экскаватора типа ЭКГ-8И

Скорость напора V_Н.Н. = 0,46 м/с

Диаметр напорного барабана d_б = 1200 мм

Передаточное число редуктора J_РЕД = 82

В приводе напора используется генератор ПЭМ 2000М со следующими параметрами:

Номинальная мощность Р_Г.Н. = 115 кВт

Номинальное напряжение U_Г.Н. = 330В

Номинальный ток якоря I_Г.Н. = 348 А

Номинальная скорость вращения N_НОМ.Г. = 1000 об/мин

Число пар полюсов 2р = 4

Число параллельных ветвей обмотки якоря 2а = 4 + 4

Сопротивление обмотки якоря при температуре 20^оС R_Я = 0,0112 Ом

Сопротивление дополнительных полюсов температуре 20^оС

R_ДП = 0,00385 Ом

Число витков обмотки возбуждения на полюс N_В = 280

Номинальное напряжение возбуждения U_В.Н. = 31 В

Номинальный ток обмотки возбуждения I_В.Н = 19,3 А

Сопротивление якорной цепи генератора приведённое к температуре 75^оС

R_Я = Ом

Индуктивность якорной цепи

L_ЯГ = Гн

Постоянная времени якорной цепи

с,

В приводе напора используется двигатель ДЭ-812 со следующими параметрами:

Номинальная мощность Р_ДН = 100 кВт

Номинальное напряжение U_ДН = 305 В

Номинальный ток якорной цепи I_НД = 360 А

Номинальная скорость вращения N_ДН = 750 об/мин

Номинальный ток обмотки возбуждения I_ВН = 17,2 А

Число пар полюсов 2р = 4

Сопротивление обмотки якоря при температуре 20^оС R_Я = 0,014 Ом

Сопротивление дополнительных полюсов температуре 20^оС

R_ДП = 0,009 Ом

Сопротивление обмотки возбуждения при температуре 20^оС

R_В = 4,76 Ом

Момент инерции двигателя J_Д = 7 кгм²

Сопротивление якорной цепи двигателя приведённое к температуре 75^оС

R_ЯД = Ом

Индуктивность якорной цепи

L_ЯГ = Гн

Постоянная времени якорной цепи

с,

Постоянная двигателя

С_Д = Вс

Электромеханическая система (ЭМС) подъёма экскаватора типа ЭКГ-8И

Скорость подъёма V_П.Н = 0,94 м/с

Диаметр подъёмного барабана d_б = 1200 мм

Передаточное число редуктора J_РЕД = 24,84

Время цикла 26 с.

В приводе подъёма используется генератор ПЭМ-151 со следующими параметрами:

Номинальная мощность Р_ГП = 500 кВт

Номинальное напряжение U_ГП = 560 В

Номинальный ток якорной цепи I_ГП= 895 А

Номинальная скорость вращения N_ГП = 1000 об/мин

Число пар полюсов 2р = 6

Сопротивление обмотки якоря при температуре 20^оС R_Я = 0,0075 Ом

Сопротивление дополнительных полюсов температуре 20^оС

R_ДП = 0,00153 Ом

Сопротивление компенсационной обмотки при температуре 20^оС

R_КО = 0,00156 Ом

Число витков обмотки возбуждения на полюс N_В = 220

Номинальное напряжение возбуждения U_В.Н. = 38,5 В

Номинальный ток обмотки возбуждения I_В.Н = 29 А

Сопротивление якорной цепи генератора приведённое к температуре 75^оС

R_Я = Ом

Индуктивность якорной цепи

L_ЯГ = Гн

Постоянная времени якорной цепи

с,

В приводе подъёма используется двигатель ДЭ-816, обмотки якоря которого соединены последовательно, со следующими параметрами:

Номинальная мощность Р_ДП = 190 кВт

Номинальное напряжение U_ДП = 300 В

Номинальный ток якорной цепи I_НП = 680 А

Номинальная скорость вращения N_ДП = 720 об/мин

Число пар полюсов 2р = 4

Сопротивление обмотки якоря при температуре 20^оС R_Я = 0,0055 Ом

Сопротивление дополнительных полюсов температуре 20^оС

R_ДП = 0,0032 Ом

Момент инерции двигателя J_Д = 17 кгм²

Сопротивление якорной цепи двигателя приведённое к температуре 75^оС

R_ЯД = Ом

Индуктивность якорной цепи

L_ЯД = Гн

Постоянная времени якорной цепи

с,

Постоянная двигателя

С_Д = Вс

Глава 2. Расчёт параметров механизмов подъёма и напора

2.1 Расчёт параметров двухмассовой структурной схемы для

привода напора

Расчёт ведётся для двухмассовой расчётной схемы:

Размещено на http://www.allbest.ru/

51

C_K

Где: J_Р - момент инерции рабочего оборудования, приведённый к валу двигателя

J_Д - момент инерции двигателя

С_К - жёсткость каната

Соответствующая структурная схема имеет вид:

Где: К_тв - коэффициент тиристорного возбудителя.

Т_тв - постоянная времени тиристорного возбудителя

К_г - коэффициент генератора

Т_г - постоянная времени генератора

Т_э - эквивалентная постоянная времени

R_э - эквивалентное сопротивление якорной цепи

Т_м - электромеханическая постоянная времени

К_т - коэффициент вязкого трения в канате

С_к - жёсткость каната

I_с - статический ток

Т_р - электромеханическая постоянная времени рабочего оборудования, приведенного к валу двигателя.

Расчёт ведём в следующем порядке:

Коэффициент тиристорного возбудителя

К_тв = = = 30

Коэффициент генератора:

К_г = = = 5,32

2 U_в.н. - номинальное напряжение двух последовательно соединённых обмоток возбуждения генератора.

Индуктивность обмотки возбуждения генератора:

L_в.н. = 2р N_в² = 4280² = 2 Гн

Где Ф - приращение потока, соответствующее приращению потокосцепления (IN_в). Значения Ф и (IN_в) взяты по характеристике намагничивания генератора из «Инструкции по наладке и ремонту экскаваторов ЭГК-8И».

Сопротивление обмотки возбуждения генератора:

R_в.г.н. = = = 1,61 Ом.

Постоянная времени цепи возбуждения генератора:

Т_в.г.н. = = = 1,24 с.

Эквивалентное сопротивления якорной цепи

R_Э = R_Я.Г. + R_Я.Д. = 0,024 + 0,034 = 0,058 с.

Эквивалентная постоянная времени:

Т_Э = = = 0,102 с.

Электромеханическая постоянная времени:

Т_М = = = 0,0335 с,

J_ДВ. = J_Д+ J_РЕД = 7+1=8 кгм².

Коэффициент датчика тока:

К_ДТ = = = 0,01 В/А.

Коэффициент датчика напряжения:

К_ДН = = = 0,028

Электромеханическая постоянная времени рабочего оборудования, приведённого к валу двигателя

Т_Р = ,

Где момент инерции рабочего оборудования, приведённого к валу двигателя равен

J_Р = (m_ро - m_г) = = 1,39

m_г - номинальная масса грунта в ковше

m_ро - номинальная масса рабочего механизма.

Значение величины Т_Р

Т_Р = = 0,0058 с.

Структурная схема механизмов копающей части имеет вид:



Где V_P - жёсткость токи подвеса

С'_К - жесткость каната при среднем положении ковша.

К'_Т - среднее значение коэффициента вязкого трения в канате.

Значения С'_К и К'_Т берутся из (2) и равны

К'_Т = 8000

С'_К = 210⁶

Усилие в канате:

F_Y = К'_Т (V_Б - V_P) + С'_К (V_Б - V_P)

Составляющая тока якоря, пропорциональная упругой нагрузке (усилию в канате)

I_У =

Где М_У - момент, пропорциональный усилию в канате.

Скорость рабочего механизма, приведенного к валу двигателя:

* J_ред

перемещение точки подвеса

S =

Где - угол поворота вала двигателя, соответствующий перемещению точки подвеса.

Подставим 1 в 2 и получим ток упругой нагрузки

I_У = К'_Т С'_К

Отсюда найдём приведённое значение коэффициента вязкого трения и жёсткости каната

К_Т = К'_Т = 8000 = 1,6

С_К = С'_К = 2*10⁶ = 398,33

2.2 Расчёт параметров двухмассовой структурной схемы для

привода подъёма

Аналогично для ЭМС подъёма.

Коэффициент тиристорного возбудителя

К_тв = = = 30

Коэффициент генератора:

К_г = = = 5,32

2 U_в.н. - номинальное напряжение двух последовательно соединённых обмоток возбуждения генератора.

Индуктивность обмотки возбуждения генератора:

L_в.н. = 2р N_в² = 4280² = 2 Гн

Где Ф - приращение потока, соответствующее приращению потокосцепления (IN_в). Значения Ф и (IN_в) взяты по характеристике намагничивания генератора из «Инструкции по наладке и ремонту экскаваторов ЭГК- 8И».

Сопротивление обмотки возбуждения генератора:

R_в.г.н. = = = 1,61 Ом.

Постоянная времени цепи возбуждения генератора:

Т_в.г.н. = = = 1,24 с.

Эквивалентное сопротивления якорной цепи

R_Э = R_Я.Г. + R_Я.Д. = 0,024 + 0,034 = 0,058 с.

Эквивалентная постоянная времени:

Т_Э = = = 0,102 с.

Электромеханическая постоянная времени:

Т_М = = = 0,0335 с,

Где J_ДВ. = J_Д+ J_РЕД = 7+1=8 кгм².

Коэффициент датчика тока:

К_ДТ = = = 0,01 В/А.

Коэффициент датчика напряжения:

К_ДН = = = 0,028

Где момент инерции рабочего оборудования, приведённого к валу двигателя равен

J_Р = (m_ро - m_г) = = 1,39

Электромеханическая постоянная времени рабочего оборудования, приведённого к валу двигателя

Т_Р = ,

Найдём приведённое значение коэффициента вязкого трения и жёсткости каната.

К_Т =

С_К =

Глава 3. Синтез системы управления

3.1 Синтез линейных СУ ДЭМС

Значительные динамические перегрузки в подъёмно-напорном механизме экскаваторов обусловлены существенной податливостью механических передач, наиболее ярко выраженной в механизмах с канатами. Естественный способ улучшения динамики ДЭМС - введение в СУ помимо обычных контуров регулирования координат двигателя дополнительных - замкнутых по координатам упругого механизма. Практически единственной такой координатой в ЭМС механизмов экскаваторов является нагрузка в упругом звене (канате).

Очевидно самое слабое звено в замкнутой по упругой нагрузке системе - соответствующий датчик. Поэтому нельзя считать удачным решение, состоящее в организации дополнительного последовательного контура регулирования упругой нагрузки. При отказе измерителя такая система становиться неработоспособной. Лучше в этом смысле ввести параллельную гибкую о.с. по нагрузке в обычную двухконтурную СПР. Если синтез такой системы выполнить так, чтобы и в отсутствии этой дополнительной о.с. привод сохранял приемлемые показатели качества, то обрыв её по крайней мере не скажется на работоспособности машины. Такой подход позволяет улучшить динамику ЭМС без риска повышения вероятности длительных простоев экскаватора из-за отказов привода.

Известен метод синтеза подобных систем - способ нормированных полиномов. Его применение обычно связано с решением сложной системы нелинейных уравнений. Суть состоит в том, что сперва определяются значения параметров замкнутого контура регулирования тока якоря и гибкой о.о.с. по упругой нагрузке, обеспечивающее заданное нормированным полиномом качество регулирования нагрузок в упругом звене, а затем подбирается регулятор тока, обеспечивающий требуемые параметры замкнутого контура тока якоря. Тем самым задача сводиться к простейшим вычислительным операциям.

Структурная схема системы, состоящей из контура регулирования тока с гибкой о.о.с. по усилию в упругом звене и двухмассового механизма показана на рис. 1:

где U_ЗТ (р) - напряжение задания контура тока,

I_Я (р), I_У (р) - ток якоря и его составляющая, пропорциональная нагрузке в упругом звене, которую в дальнейшем будем называть упругим током,

I_С - статический ток,

_Д (р) - угловая скорость вала двигателя,

_Р (р) - скорость движения рабочего органа, приведённая к валу двигателя,

Т_Т, _Т - постоянная времени и коэффициент затухания замкнутого контура якоря,

_Т - его относительная статическая ошибка, вызванная действием внутренней обратной связи по ЭДС двигателя,

К_ДТ - коэффициент передачи датчика тока.

R_Э - эквивалентное сопротивления якорной цепи двигателя.

С - постоянная двигателя,

Т_М, Т_Р - электромеханические постоянные времени двигателя и рабочего органа.

Т_УН - постоянная времени гибкой о.о.с. по упругому току.

С_У, К_Т - жесткость упругого звена и коэффициент сил вязкого трения, приведённые к двигателю.

Размещено на http://www.allbest.ru/

51

Рис. 1. - Структурная схема контура регулирования нагрузки в упругом

звене двухмассового механизма.

Характеристический полином этой системы

( (1)

где: - коэффициент соотношения электромеханических постоянных времени,

а = сТ_М (с_М R_Э)^-1,

b = , .

Заметим, что постоянная времени колебаний в упругом звене

,

а коэффициент затухания колебаний

.

В общем случае требуется получить полином

Т⁴р⁴ + ₃Т³р³ + 2Т²р² + ₁Тр + 1, (2)

Где Т - постоянная времени,

- коэффициенты, определяющие вид переходного процесса.

Так соответствует полиному с критическим затуханием, полиному модульного оптимума (перерегулирование 6.2%)

Если не учитывать вязкое трение, то (1) приобретает вид:

(3)

Путём сравнения (2) и (3) получим:

(4)

где

(5)

Если вязкое трение учитывать, то решение системы уравнений, полученной приравниванием (2) к (1), удается выписать для полиномов, сводящихся к виду (Т²р + 2₀Тр + 1)^2, например, для полиномов модульного оптимума и с критическим затуханием.

, Т_Т =

(6)

где

(7)

3.2 Синтез системы управления напора

Для синтеза системы управления напором выпишем из главы 2 основные необходимые для этого величины и исходя из них по известным формулам рассчитаем искомые величины.

К_П = 5,32

К_Т = 16

Т_Р = 0,0058

К_ДН = 0,028

К_ДТ = 0,01

Т_Э = 0,102

R_Э = 0,058

Т_Г = 1,26

К_ТВ = 30

L_ЯГ = 0,0075

L_ЯД = 0,004

С = 3,72

Т_М = 0,0335

 = 0,15 - коэффициент соотношения электромеханических постоянных времени

Все необходимые для расчёта формулы возьмём из (автореферат диссертация)

- коэффициенты, соответствующие полиному с критическим затуханием.

Рассчитаем - коэффициент затухания замкнутого контура тока якоря.

Где:

Далее рассчитаем Т_Т - постоянную времени замкнутого контура тока якоря

Вычислим

Теперь найдём относительную статическую ошибку, вызванную действием внутренней обратной связи по ЭДС двигателя .

Теперь можно найти коэффициенты и постоянные времени преобразователя и регулятора.

Постоянная интегрирования:

Постоянная сглаживания:

Коэффициент пропорциональной части регулятора:

Постоянная дифференцирования:

Окончательно находим постоянную времени гибкой отрицательной обратной связи по упругому току:

Синтез системы управления подъёмом проведём аналогично синтезу системы напора, изменив лишь основные формулы и подставив в них значения, соответствующие механизму подъёма.

К_П = 5,32

К_Т = 5

Т_Р = 0,0058

К_ДН = 0,028

К_ДТ = 0,005

Т_Э = 0,0813

R_Э = 0,058

Т_Г = 1,24

К_ТВ = 30

L_ЯГ = 0,0027

L_ЯД = 0,00323

С = 7,71

Т_ПР = К_Т*К_Г = 30*7,5 = 1,52

Т_М = 0,0335

 = 0,15 - коэффициент соотношения электромеханических постоянных времени

Все необходимые для расчёта формулы возьмём из (автореферат диссертация)

- коэффициенты, соответствующие полиному модульного оптимума (перерегулирование 6.2%)

Рассчитаем - коэффициент затухания замкнутого контура тока якоря.

Где:

Далее рассчитаем Т_Т - постоянную времени замкнутого контура тока якоря

Вычислим

Теперь найдём относительную статическую ошибку, вызванную действием внутренней обратной связи по ЭДС двигателя .

Теперь можно найти коэффициенты и постоянные времени преобразователя и регулятора.

Постоянная интегрирования:

Постоянная сглаживания:

Коэффициент пропорциональной части регулятора:

Постоянная дифференцирования:

Окончательно находим постоянную времени гибкой отрицательной обратной связи по упругому току:

Глава 4. Моделирование нагрузок

Упрощённая кинематика подъёмно-напорного механизма (без учёта поворота).

Электроприводы подъёма и напора экскаватора работают согласовано. Они связаны через рабочее оборудование.

Анализ движения рабочего оборудования по реальной кинематической схеме механизма - задача чрезвычайно сложная. Поэтому ниже рассматривается упрощённая кинематическая схема соответствующего рабочего оборудования. Ковш с грунтом считаем материальной точкой с массой (m_K + m_Г). Рукоять считаем жёсткой балкой бесконечно малой толщины длинной Р и с равномерно распределённой массой m_Р. Радиусом головных блоков, установленных в верхней части стрелы, пренебрегаем.

Считаем, что платформа ЭКГ расположена горизонтально.

Тогда стрела расположена под углом к линии горизонта, соответствующим паспортному значению.

При принятых допущениях рукоять, канат и стрела образуют треугольник.

Одна из сторон треугольника длинной Q (расстояние от точки схода каната с головного блока до подпятника рукояти) является постоянной величиной.

Две другие стороны l (длинна каната от головного блока до точки эквивалентной массе ковша с грузом) и (расстояние от подпятника до той же эквивалентной точки, для краткости в дальнейшем называемая вылетом рукояти) - так же показанные на рисунке, величины переменные.

Здесь же показаны направления сил подъёма и напора, принятые за положительные.



Уравнения движения можно получить различными способами. Одним из самых удобных представляется метод Лагранжа. Однако, он имеет важную особенность - координаты, в которых записываться уравнения, должны быть независимыми. В этом смысле координата подходит. А координата l нет. Поэтому в качестве второй независимой координаты принимаем угол (угол наклона рукояти к линии горизонта) показанные на рисунке.

В общем виде уравнения Лагранжа имеют вид:

Это уравнение Лагранжа второго рода. В нём Т представляет кинетическую энергию системы, и Q - обобщённая сила, отнесённая к координате , т.е. представляет собой работу внешних сил системы при изменении одной из координат q_i на в то время, как другие координаты остаются неизменными.

Q_i имеет размерность силы, если q_i выражает длину, Q_i имеет размерность момента, если q_i представляет угол и т.д.

В нашем случае Q_i имеет размерность силы.

Задача составления уравнений Лагранжа и их решения для принятой нами упрощенной кинематической системы, решена в диссертации А.Ч. Хатагова под руководством К.В. Кибизова.

Полученные в ней уравнения приведены ниже:

(1)

(2)

При расчёте копания величину m_Г считаем переменной.

m_K, m_P, m_Г - массы ковша, рукояти и груза (грунта в ковше)

- вылет рукояти

P - её длинна (условная, т.е до центра тяжести ковша с грузом)

F_Н - усилие напора

F_П - усилие подъёма

L - длинна каната от головного блока до центра массы ковша.

G - ускорение свободного падения.

Соответствующие углы показаны на рисунке:

- угол наклона стрелы к горизонту (обычно, при ровно стоящем экскаваторе, составляет 46⁰)

- угол наклона рукояти: он положителен, если рукоять ниже линии горизонта.

- угол между канатом подъёма и рукоятью (получен из рисунка)

Однако обобщённая координата неудобна для согласования уравнений описывающих механизм с уравнениями, описывающими электропривод подъёма.

Поэтому необходим переход от обобщённых координат к фактическим, однозначно зависящим от углов поворота барабанов подъёмной и напорной лебёдок.

Такой переход достаточно просто реализуется решение треугольника:

(3)

(4)

(5)

Формулы (3) и (5) получены из теоремы косинусов, а формула (4) - из теоремы синусов для треугольников.

Так как моделирование электроприводов подъёма и напора выполнялось в ПК МОДО-С, то и решение треугольника удобно выполнить в этой же программе.

Глава 5. Фильтры

В системе автоматического управления (САУ) обратной связью (ОС) экскаватора ЭКГ-8И одним из обязательно присутствующих элементов является датчик регулируемой координаты или датчик обратной связи (ДОС). Помимо «полезной» составляющей, точно соответствующей регулируемой координате, выходной сигнал ДОС содержит составляющие, искажающие это соотношение. Их соотношение в статике может быть нелинейным. Такую нелинейность при синтезе САУ относительно легко учесть введение в канал ОС соответствующего нелинейного звена.

Но выходной сигнал ДОС содержит и другие составляющие: динамические, однозначно обусловленные конструктивными особенностями датчика, в частности его инерционностью, а также от внешних помех, часто так которых больше часто ты полезного сигнала, а амплитуда сравнима с его величиной. Например, выходной сигнал тахогенератора постоянного тока содержит пульсацию, складывающуюся из оборотной, полюсной, коллекторной и зубцовой составляющих. Наиболее нежелательными являются низкочастотные пульсации-оборотные и полюсные, так как при малой скорости вращения вала тахогенератора их частоты сопоставимы с полосой пропускания САУ электроприводом. Это влияет на динамических характеристики электропривода, особенно с широким диапазоном регулирования, когда САУ и пускатель успевают реагировать на пульсации сигнала ДОС.

К числу помех относят, например, близкие к синусоидальным наводки в каналах связи от сети переменного тока, импульсные в тиристорных и широтно-импульсной модуляцией приводах, а также возникающие при срабатывании силовой коммутирующей аппаратуры.

Помехи в канале ОС без принятия специальных мер по их подавлению могут нарушать работу остальных элементов САУ (регуляторов, преобразователей).

Подавление помех достигается введением в канал Ос фильтра. Если ОС жёсткая, то надо применить фильтр низких частот (ФНЧ). Иногда для подавления помех с относительно стабильной частотой (например 50 Гц) используют режекторные фильтры - в тех случаях когда ФНЧ не подавляет помеху в достаточной степени.

ФНЧ совершенно необходим, если ОС гибкая, т.е. сигнал ДОС должен соответствовать производным от регулируемой координаты. Известно, что порядок фильтра должен, по крайней мере на единицу, превышать порядок дифференцирования. Так, например, датчик - вычислитель сил упругой деформации механизма требует двукратного дифференцирования датчика тока якоря двигателя постоянного тока, следовательно порядок ФНЧ не должен быть ниже третьего.

Задача исследования - выработка рекомендаций по выбору фильтров в каналах ОС САУ. Результаты исследований приведены на примере электроприводов одноковшового экскаватора ЭКГ-8И.

При рассмотрении заявленной темы были сделаны допущения:

1. Коэффициент усиления фильтра в цепи ОС по постоянному току равен единице, так как «датчик-фильтр» с отличающимся от единицы соответствующим коэффициентом можно рассматривать как сочетание последовательного соединённого пропорционального звена с таким коэффициентом и звена с ФНЧ с единичным коэффициентом усиления. При этом случае анализа САУ выходом объекта управления (ОУ) можно считать выход пропорционального звена и коэффициент ДОС (ФНЧ) считать равным единице, что позволяет обойтись в простой форме записанными выражениями.

2. Характеристики фильтра рассматриваем в относительных единицах, принимая за базовую величину частоту основной гармоники сигнала ОС _с Тогда в относительных единицах - постоянная времени фильтра и _п^-1 = _сп^-1 - постоянная времени основной гармоники помехи, причём _ф^-1, _п^-1 - значения соответствующих постоянных временив абсолютных единицах, а коэффициент подавления помехи есть величина обратно пропорциональная значению АЧХ на заданной частоте.

3. В цепи ОС, как показано ниже, надо применить фильтры с гладкими АЧХ, т.е. не имеющими экстремумов. К этому классу фильтров относятся:

- биномиальный, или с критическим затуханием, в переходной характеристики которого при минимально возможной её продолжительности отсутствует перерегулирование.

- Баттерворта, или с максимально гладкой АЧХ, у которого все производные от АЧХ по часто те от первой до (2n-1)-ой включительно в точке равны нулю, а n - порядок фильтра.

- Бесселя, в наименьшей степени искажающего сигнал, спектр которого лежит в полосе пропускания, благодаря тому что запаздывание выходного сигнала фильтра относительно входного одинаково для максимального количества гармоник, что в свою очередь объясняется наилучшим приближением ФЧХ фильтра Бесселя к идеально линейной. (фильтры с гладкими АЧХ не обеспечивают наилучшего подавления помех. В этом отношении предпочтительнее ФНЧ, АЧХ которых имеют экстремумы.

- Чебышева, у которого в полосе пропускания фильтра отклонение АЧХ от идеальной не превышает наперёд заданного значения, обычно выражаемого размахом пульсаций (неравномерностью) АЧХ в логарифмическом масштабе (дБ), а за пределами полосы пропускания коэффициент подавления помех максимален, причем, чем больше неравномерность, тем круче спад АЧХ за полосой пропускания.

- Инверсный Чебышева, АЧХ которого монотонно изменяется в полосе пропускания пульсирует в полосе заграждения в заданных размерах.

- Эллиптический, у которого АЧХ имеет равномерные пульсации как в полосе пропускания, так и в полосе заграждения.

При расчёте фильтра Чебышева и эллиптического, кроме неравномерности АЧХ, задаются также минимум её величины в полосе заграждения. Например, выбор этой величины на уровень 40 дБ означает, что частоты, которые лежат в полосе заграждения будут подавляться в сто раз.

Наибольшую крутизну спада в переходной области имеет эллиптический фильтр. Далее следуют фильтры Чебышева, инверсный Чебышева. Хуже в этом смысле фильтры Бесселя, Баттерворта и биномиальный.

Однако анализ свойств ФНЧ различной структуры показал, что применение фильтров с неравномерными АЧХ в каналах ОС нежелательно по трём причинам:

1. Пульсации АЧХ в полосе пропускания означают, что составляющие полезного сигнала различной частоты передаются на выход фильтра с различным усиление. Так, для фильтров Чебышева и эллиптического неравномерность АЧХ 0,5 дБ соответствует изменению коэффициента усиления в полосе пропускания с 1,0 до 1,056, а неравномерность 0,2 дБ - от 1,0 до 1,26. соответственно, дополнительная погрешность сигнала ОС, вносимая ФНЧ достигает 5,6% в первом случае и 26% во втором.

2. Пульсации АЧХ инверсного фильтра Чебышева и эллиптического фильтра в полосе заграждения около заданного уровня означают, что коэффициент подавления помех любых частот не будет превышать заданного значения, в то время как у фильтров с гладкими АЧХ этот коэффициент тем больше, чем больше частота помехи. Поэтому ФНЧ Баттерворта, Бесселя и биномиальный лучше подавляют импульсные электромагнитные помехи, характерные для электропривода.

3. уменьшение переходной зоны между полосами пропускания и заграждения, т.е. приближения формы АЧХ ФНЧ к идеальной прямоугольной в фильтрах с неравномерными АЧХ достигается за счёт снижения устойчивости. Например, перерегулирование переходной характеристики ФНЧ четвёртого порядка составляет (%): биномиального - 0, Бесселя - 0,8, Баттерворта - 10,8, Чебышева с неравномерностью 0,5 дБ -18,2, Чебышева с неравномерностью 2 дБ - 29. Примерно таково же соотношение показателей колебательности двух групп фильтров. Так, если амплитуда колебаний переходной характеристики у наихудшего в этом смысле из фильтров четвёртого порядка с гладкими АЧХ - фильтра Баттерворта - в двухпроцентную зону укладывается уже через время 8_ф^-1, то у фильтра Чебышева с неравномерностью 2 дБ.

Этот показатель составляет 30 _ф^-1. на практике снижение устойчивости проявляется в повышенной чувствительности САУ к импульсным помехам, в частности - к цепям питания.

Данные, по которым рассчитаны приведённые выше численные значения характеристик фильтров, взяты из справочника: «Справочник по активным фильтрам» (Джонсон Д. - Энергоатомиздат, 1983).

В итоге, анализ фильтров различной структуры позволяет сделать вывод о предпочтительности применения в канала ОС АСУ ФНЧ с гладкими АЧХ.

Другой аспект рассматриваемой задачи состоит в рациональном определении порядка ФНЧ. Понятно, что чем выше порядок фильтра, чем выше аппаратурные затраты на его реализацию. Выше было написано, что при необходимости применения в качестве ОС сигналов, пропорциональных производным от координат объекта, следует предусматривать фильтр, порядок которого хотя бы на единицу больше порядка дифференцирования. Оба обстоятельства надо учитывать. Очевидно, что второе учесть легко, а первое не имеет принципиального значения, так как схемотехника фильтров высокого порядка достаточно проработана.

Важнее другое - как влияет порядок фильтра в цепи ОС на качество регулирования координат САУ. Очевидно, что чем выше порядок фильтра, тем в большей степени он подавляет помехи. Но с другой стороны ФНЧ более высокого порядка вносит большую задержку сигнала ОС по сравнению с соответствующей координатой объекта управления. Если при определённой частоте координаты эта задержка составит 180⁰.

Глава 6. Безопасность жизнедеятельности

Воздействие вибрации на машиниста экскаватора и анализ способов борьбы с ней.

Основными неблагоприятными факторами, отрицательно воздействующим на работу оператора экскаватора, являются шум, вибрация и статические нагрузки на позвоночник, обусловленные сидящей рабочей позой. Всё это при длительном воздействии может приводит к болезненным ощущениях, а в самых крайних случаях к хроническим заболеваниям.

Самым неблагоприятным фактором, воздействующим на оператора экскаваторного механизма, является вибрация. И поэтому в данной работе выполнен анализ этого негативного фактора, а также способов борьбы с ним.

Вибрация - это механическое колебательное движение системы с упругими связями; движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание, и убывание во времени значений, по крайней мере, одной координаты.

Причиной возбуждения вибраций являются возникающие при работе машин и агрегатов неуравновешенные силовые воздействия. Источником такого дисбаланса может быть неоднородность материала вращающегося тела, несовпадение центра массы тела и оси вращения, деформация деталей, а также неправильная установка и эксплуатация оборудования.

Основные параметры вибрации: частота, амплитуда смещения, скорость, ускорение, период колебания.

В производственных условиях почти не встречается вибрации в виде простых гармонических колебаний. При работе машин и оборудования обычно возникает сложное колебательное движение, которое является апериодическим, имеющим импульсный или толчкообразный характер.

Классификация вибраций, воздействующих на человека.

Вибрацию по способу передачи на человека (в зависимости от характера контакта с источниками вибрации) условно подразделяют на:

- общую вибрацию, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека;

- локальную вибрацию, передающуюся на отдельные органы и части тела, в том числе на руки человека.

Вибрация, передающаяся на ноги сидящего человека и на предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов, относится к локальной вибрации.

В производственных условиях нередко имеет место сочетание действий местной и общей вибрации.

По источнику возникновения вибраций различают:

- локальную вибрацию, передающуюся человеку от ручного механизированного инструмента (с двигателями), органов ручного управления машинами и оборудованием;

- локальную вибрацию, передающуюся человеку от ручного немеханизированного инструмента (без двигателей), например, рихтовочных молотков разных моделей и обрабатываемых деталей;

- общую вибрацию 1 категории - транспортную вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах самоходных и прицепных машин, транспортных средств при движении по местности и дорогам (в том числе при их строительстве).

К источникам транспортной вибрации относят:

Ш тракторы сельскохозяйственные и промышленные, самоходные сельскохозяйственные машины (в том числе комбайны);

Ш автомобили грузовые (в том числе тягачи, катки и т.д.);

Ш снегоочистители, самоходный горношахтный рельсовый транспорт;

- общую вибрацию 2 категории - транспортно-технологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах машин, перемещающихся по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок, горных выработок.

К источникам транспортно-технологической вибрации относят:

Ш экскаваторы, краны промышленные и строительные, машины для загрузки мартеновских печей в металлургическом производстве;

Ш горные комбайны, шахтные погрузочные машины;

Ш путевые машины, бетоноукладчики, напольный производственный транспорт;

- общую вибрацию 3 категории - технологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах стационарных машин или передающуюся на рабочие места, не имеющие источников вибрации.

К источникам технологической вибрации относят: станки металло- и деревообрабатывающие, кузнечнопрессовое оборудование, литейные машины, электрические машины, насосные агрегаты и вентиляторы, оборудование для бурения скважин, буровые станки, машины для животноводства, очистки и сортировки зерна (в том числе сушилки), установки химической и нефтехимической промышленности и др.

По частотному составу вибрации выделяют:

- низкочастотные вибрации (1-4 Гц для общих вибраций, 8-16 Гц - для локальных вибраций);

- среднечастотные вибрации (8-16 Гц - для общих вибраций, 31,5-63 Гц - для локальных вибраций);

- высокочастотные вибрации (31,5-63 Гц - для общих вибраций, 125-1000 Гц - для локальных вибраций).

По временным характеристикам вибрации выделяют:

- постоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров изменяется не более чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения;

- непостоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров изменяется не менее чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения не менее 10 мин при измерении с постоянной времени 1 с, в том числе:

а) колеблющиеся во времени вибрации, для которых величина нормируемых параметров непрерывно изменяется во времени;

б) прерывистые вибрации, когда контакт человека с вибрацией прерывается, причем длительность интервалов, в течение которых имеет место контакт, составляет более 1 с;

в) импульсные вибрации, состоящие из одного или нескольких вибрационных воздействий (например, ударов) каждый длительностью менее 1 с.

Тело человека рассматривается как сочетание масс с упругими элементами, имеющими собственные частоты, которые для плечевого пояса, бедер и головы относительно опорной поверхности (положение «стоя») составляют 4-6 Гц, головы относительно плеч (положение «сидя») - 25-30 Гц. Для большинства внутренних органов собственные частоты лежат в диапазоне 6-9 Гц.

Местная вибрация малой интенсивности может благоприятно воздействовать на организм человека, улучшать функциональное состояние ЦНС, ускорять заживление ран и т.п., но при увеличении интенсивности колебаний и длительности их воздействия возникают изменения, приводящие в ряде случаев к развитию профессиональной патологии - вибрационной болезни.

Общая вибрация с частотой менее 0,7 Гц, определяемая как качка, хотя и неприятна, но не приводит к вибрационной болезни. Следствием такой вибрации является морская болезнь, вызванная нарушением нормальной деятельности вестибулярного аппарата. При частоте колебаний рабочих мест, близкой к собственным частотам внутренних органов, возможны механические повреждения или даже разрывы. Систематическое воздействие общих вибраций с высоким уровнем виброскорости приводит к вибрационной болезни, которая характеризуется нарушениями физиологических функций организма, связанными с поражением центральной нервной системы. Эти нарушения вызывают головные боли, головокружения, нарушения сна, снижение работоспособности, ухудшение самочувствия, нарушения сердечной деятельности, расстройство зрения, онемение и отечность пальцев рук, заболевание суставов, снижение чувствительности.

Предельно допустимый уровень (ПДУ) вибрации - это уровень фактора, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 часов в неделю в течение всего рабочего стажа, не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений.

Соблюдение ПДУ вибрации не исключает нарушение здоровья у сверхчувствительных лиц.

Основными нормативными правовыми актами, регламентирующими параметры производственных вибраций, являются:

"Санитарные нормы и правила при работе с машинами и оборудованием, создающими локальную вибрацию, передающуюся на руки работающих" №3041-84 и "Санитарные нормы вибрации рабочих мест" №3044-84.

В настоящее время около 40 государственных стандартов регламентируют технические требования к вибрационным машинам и оборудованию, системам виброзащиты, методам измерения и оценки параметров вибрации и другие условия.

К работе с вибрирующими машинами и оборудованием допускаются лица не моложе 18 лет, получившие соответствующую квалификацию, сдавшие технический минимум по правилам безопасности и прошедшие медицинский осмотр.

Работа с вибрирующим оборудованием, как правило, должна проводиться в отапливаемых помещениях с температурой воздуха не менее 16⁰С при влажности 40-60%. Если создание подобных условий невозможно (работа на открытом воздухе, подземные работы и т.д.), то для периодического обогрева должны быть предусмотрены специальные отапливаемые помещения с температурой воздуха не менее 22⁰С.

Большую часть рабочего времени водитель-экскаваторщик проводит в кабине экскаватора, которая не изолирована от наружных воздействий, шума работающих агрегатов, вибраций и выхлопных газов работающего двигателя (для экскаваторов типа ЭО с дизельным двигателем) Основная рабочая поза - сидя.

Наиболее действенным средством защиты человека в кабине экскаватора от вибрации является устранение непосредственно его контакта с вибрирующим оборудованием. Осуществляется это путем применения дистанционного управления, автоматизации и замены технологических операций.

Снижение неблагоприятного действия вибрации механизма экскаватора на оператора достигается путем технических решений:

Ш уменьшением интенсивности вибрации непосредственно в источнике (за счет конструктивных усовершенствований);

Ш средствами внешней виброзащиты, которые представляют собой упругодемпфирующие материалы и устройства, размещенные между источником вибрации и руками человека-оператора.

В первом случае уменьшение вибрации может достигать более значительных величин, по сравнению со вторым случаем, так как снижение величины вибрации в самом её источнике приведёт к тому, что в конечных местах, например в кабине оператора, её величина уменьшиться ещё существеннее, чем изначальная.

Но первый случай проигрывает второму по таким показателям как капитальные затраты на уменьшение вибрации, что в условиях нынешней экономической ситуации может стать решающим фактором в выборе того или иного способа защиты оператора экскаватора от её неблагоприятного воздействия.

Снижение действия вибрации можно также достичь путём изоляции непосредственно рабочего места машиниста (кабины экскаватора в целом или непосредственно органов управления и кресла машиниста). Снижение потока вибрации, передающегося через органы управления (рычаги и связанные с ними командоконтроллеры) можно достичь путём внедрения самых последних разработок в области электроники и компьютеризации - оснастить панель управления сенсорными датчиками, реагирующими либо на очень лёгкое нажатие на них, либо только на прикосновение руки машиниста экскаватора. Этот способ является самым виброизолирующим в случае рассмотрения уменьшения вибропотока со стороны органов управления. Но самым главным недостатком этого способа являются колоссальные затраты на его внедрение, обусловленные как материальными затратами на переоснащение устройств управления экскаватором, так и затраты на переобучение машинистов.

Более проработанным и внедрённым на отдельных карьерах является способ

Виброизоляции кабины машиниста от остального корпуса экскаватора путём применения вибропоглощающих прокладок из резины или другого хорошо поглощающего вибрацию материала. В качестве виброизолятора так же в данном случае можно применить металлические пружины, виброизолирующие мастики, пневматические виброизолирующие устройства. Или комбинации всего вышеперечисленного. Однако, несмотря на большой выбор виброизолирующих средств, данный способ имеет ограничения следующие ограничения:

- Конструктивная сложность выполнения.

- Большая стоимость, как самих виброизолирующих устройств, так и работ по их монтажу и наладке.

- Для их нормального функционирования требуются специальные условия эксплуатации

- Ограниченный срок работы.

Так же некоторой разновидностью данного способа можно считать применение вариантов с установкой виброзащитных устройств непосредственно на кресло машиниста. Здесь следует упомянуть такие меры как установка виброизолированных от пола специальных амортизаторов, применение специальных прокладок из войлока или резины.

Очень часто большой эффект дают организационно- технические меры включающие в себя:

- проведение проверок общей вибрации и выявление путей её распространения для принятия последующих мер по их ликвидации - не реже 1 раза в год. А при исследовании локальной вибрации - не реже 2 раз в год. Меры, снижающие вибрацию на путях ее распространения принимаются согласно ГОСТ 12.4.046-78.

- своевременный ремонт машин и оборудования

- исключением контакта с вибрирующими деталями вне рабочего места

- введение определённого режима (графика) работ машинистов на экскаваторе.

В комплексе мероприятий важная роль отводится разработке и внедрению научно обоснованных режимов труда и отдыха. Например, суммарное время контакта с вибрацией не должно превышать 2/3 продолжительности рабочей смены; рекомендуется устанавливать 2 регламентируемых перерыва для активного отдыха, проведения физиопрофилактических процедур, производственной гимнастики по специальному комплексу.