2.2. Требования к электроприводу механизмов экскаваторов

Экскаватор является машиной, работающей в весьма тяжелых условиях с резкопеременной нагрузкой, тряской всего оборудования, при значительных изменениях температуры и влажности, большой запыленности. Поэтому к его механическому и электрическому оборудованию предъявляются жесткие требования по вибростойкости, допустимому числу включений, гарантийному сроку безотказной работы.

Требования к статическим и динамическим характеристикам электропривода механизмов экскаваторов различны.

Механизм поворота экскаватора - лопаты, обладающий значительным приведенным моментом инерции, в несколько раз превышающим момент инерции двигателя, работает исключительно в переходных процессах пуска, реверса, торможения. Вследствие большого числа звеньев в кинематической цепи у механизма имеются значительные люфты в передачах, а также зазоры в креплении рабочего оборудования. Основным требованием к электроприводу этого механизма является обеспечение плавности протекания переходных процессов при отработке заданного угла поворота и минимально возможное время с ограниченным ускорением.

Механизм подъема работает в условиях резко переменной нагрузки, нередко значительно превышающей номинальную. В отдельных случаях нагрузка может быть настолько велика, что возникает опасность разрушения отдельных звеньев механической передачи. В еще более тяжелых условиях находится механизм напора экскаватора - лопаты, так как он работает на упор. Для облегчения условий работы в его кинематической цепи имеется муфта предельного момента, которая сглаживает удары в механическом оборудовании, защищая его от разрушений. Основным требованиям к механизмам подъема и напора является обеспечение ограничения момента электропривода допустимыми пределами в статических и динамических режимах работы.

Ограничение момента привода допустимыми значениями осуществляется путем создания специальной механической характеристики двигателя. Форма этой характеристики должна быть такой, чтобы при рабочих нагрузках обеспечивалась высокая производительность механизма с последующим ограничением момента допустимыми значениями (рис. 27).

Характеристика 1 имеет существенные недостатки. Оператор не чувствует загрузки механизма, так как скорость двигателя остается почти постоянной при возрастании нагрузки до стопорного значения. Это не дает возможность оператору вовремя снизить нагрузку механизма и предотвратить падение скорости до стопорения. Частое повторение режима стопорения приводит к снижению производительности экскаватора. Для того, чтобы можно было наблюдать за увеличением нагрузки по падению скорости, целесообразной является более мягкая характеристика 2. При этом в случае возникновения кратковременной перегрузки последняя преодолевается двигателем легче за счет использования при снижении скорости кинетической энергии, накопленной в системе электропривода.

Рис. 27. Механическая характеристика экскаваторного электропривода

Площадь, ограниченная механической характеристикой двигателя и координатными осями, соответствует мощности электропривода и в известной степени отражает производительность машины. Заполнение характеристики электропривода экскаваторного механизма может быть оценено соответствующим коэффициентом заполнения

,

где:

S – площадь, ограниченная осями координат и механической характеристикой;

–масштаб площади.

При выборе характеристик электроприводов основных механизмов экскаваторов необходимо учитывать особенности каждого и них в отношении требуемого коэффициента заполнения статической характеристики. Например, электропривод подъема экскаватора - лопаты выполняет две функции: копание, а также подъем и спуск ковша. Поэтому характеристика электропривода должна иметь такую жесткость в рабочей зоне, чтобы оператор мог своевременно предупредить нежелательное стопорение механизма. Что касается привода подъема у экскаваторов типа драглайн, то здесь механизм подъема совершает в чистом виде операцию подъема и спуска ковша, поэтому для обеспечения высокой производительности этого механизма необходима экскаваторная характеристика с большим коэффициентом заполнения около 0.8 - 0.9.

Привод напора у экскаватора - лопаты должен обладать мягкой характеристикой, так как работает на упор и, несмотря на муфту предельного момента, может создавать резкие перегрузки привода. Привод тяги у экскаваторов типа драглайн также должен иметь мягкую характеристику с ограничением момента, так как в основном осуществляет операцию копания.

Механизм поворота экскаваторов - драглайнов и экскаваторов - лопат работает в основном в переходных процессах. Статическая характеристика электропривода в известной степени определяет и качество переходного процесса, поэтому для облегчения постоянства ускорения статическая характеристика привода поворота должна иметь максимальное заполнение. В виде общей рекомендации можно отметить, что стопорный момент составляет для механизмов подъема, напора, тяги , а для механизмов поворота. Примерный вид характеристик электроприводов, отвечающих заданным технологическим требованиям механизмов экскаваторов, приведен в табл. 6.

Таблица 6

Для механизмов экскаваторов при проектировании схемы управления не ограничиваются обычно только основной характеристикой 1 (рис. 28), а предусматривают несколько регулировочных характеристик, позволяющих осуществить работу на пониженной скорости, например характеристику 2. Эти характеристики необходимы для вспомогательных операций (расчистка и подготовка карьера, наладка и т.д.). Диапазон регулирования скорости относительно верхней 1 и нижней 2 характеристик двигательного режима составляет обычно . Выбор числа и формирование промежуточных механических характеристик механизмов экскаваторов проводятся на основании требований, предъявляемых к каждой машине.

Рис. 28

Весьма существенным при проектирование электроприводов, особенно мощных экскаваторов, является возможных ударов в кинематической цепи, вызванных наличием люфтов в редукторах, муфтах и т.д., а также слабины канатов. Имеются различные способы для формирования характеристик электропривода для выбора люфтов передачи и слабины канатов. Основная идея заключается в том, чтобы после их выбора двигатель имел по возможности небольшую угловую скорость. Тогда запас кинетической энергии движущихся масс к моменту приема основной статической нагрузки будет невелик и резкого изменения ускорения не произойдет. Самый простой способ реализации этой идеи заключается в следующем: задается малая скорость на небольшом отрезке времени в начале пуска, а далее поддерживается постоянство ускорения. Время работы с постоянной малой скоростью движения рассчитывается по условиям выбора люфтов передач и слабины канатов.

Недостатком системы с фиксированным временем выбора зазора в передачах является невозможность учесть их фактическое изменение в ходе эксплуатации вследствие наклона платформы на неровностях забоя, износа передач, замене узлов при ремонте и т.д. Настройка системы должна вестись на максимальное значение зазора, что приводит к значительным потерям производительности при малых фактических зазорах.

Исходя из обеспечения высокой производительности экскаваторов, допустимых ускорений и рывков в механических звеньях системы, а также допустимых перегрузок машин экскаваторного электропривода, может быть установлен определенный график изменения тока и соответственно скорости двигателя экскаваторного механизма во времени. Для каждого механизма допустимые значения указанных величин могут несколько отличны, однако общий характер изменения для любого из них представляется в виде трапециевидной диаграммы тока якоря двигателя. Скорость во времени при переходных процессах также будет изменяться по графику, близкому к трапеции, но с участками параболического типа при изменении тока (рис. 29).

Рис. 29. Типовой график изменения тока якоря и скорости экскаваторного электропривода при пуске, реверсе и торможении двигателя

Если обратиться к расчетному графику переходного процесса электропривода конкретного механизма, например поворота, можно отметить наличие в нем участков с малым моментом, при котором осуществляется выбор зазоров в передачах (рис. 30).

Рис. 30. Оптимальный график изменения момента двигателя поворота

Анализ режимов и условий работы экскаваторных электроприводов позволяет сформулировать основные требования, предъявляемые к главным электроприводам экскаваторов. При этом важнейшим является требование обеспечения максимальной производительности машины при минимальных нагрузках ее электрического и механического оборудования. Для выполнения этого общего требования необходимо, чтобы система электропривода обладала следующими свойствами:

1. Электропривод должен обеспечивать надежное ограничение момента и тока допустимым стопорным значением во всех режимах работы, т.е. обладает механической характеристикой экскаваторной формы, заполнение которой при проектировании и наладке можно было бы изменять в широких пределах, в соответствии с условиями работы каждого механизма экскаватора;

2. Электропривод должен обеспечивать регулирование скорости в диапазоне 4 - 6 и рекуперацию энергии, освобождающейся при торможении механизма поворота или при опускании ковша. Жесткость рабочего участка механической характеристики, соответствующей нулевому положению командоконтроллера, должна обеспечивать достаточно малую скорость спуска ковша при удержании его путем электрического торможения.

3. Формирование переходных процессов, имеющих минимальную длительность при ограничениях, наложенных на предельные значения момента, темпа его изменения и ускорения, обеспечивающих минимальные динамические нагрузки механического оборудования экскаватора, должно осуществляться достаточно простыми и надежными средствами.

4. Схема соединения силовых цепей и динамические свойства системы управления электроприводом должны способствовать реализации возможного демпфирующего действия, которое оказывает электропривод с линейной механической характеристикой на механические колебания в электромеханической системе.

5. Схема должна быть простой и максимально надежной.