устройство управления приводом исполнительного органа фронтального агрегата

Формула изобретения

Устройство управления приводом исполнительного органа фронтального агрегата, включающее два асинхронных электродвигателя, связанных через редукторы с приводными звездочками бесконечной тяговой цепи, оснащенной струговыми каретками с возможностью их перемещения по направляющей, гидроцилиндры перемещения направляющей на забой, содержащее первый и второй преобразователи частоты, входы которых соединены с электрической силовой сетью, а выходы связаны с обмоткой статора соответственно первого и второго электродвигателей, первый и второй регуляторы частоты, выходы которых соединены с управляющими входами соответственно первого и второго преобразователей частоты, датчики нагрузки, подключенные к выходам первого и второго преобразователей частоты, блок выравнивания нагрузок, подключенный к выходам датчиков нагрузок, а первый и второй его выходы связаны соответственно с третьим и вторым входами первого регулятора частоты, регулятор нагрузки, блок задания нагрузки, причем блок задания нагрузки соединен с входом регулятора нагрузки, второй вход которого связан с датчиком нагрузки второго электродвигателя, а выход регулятора нагрузки соединен с первыми входами первого и второго регуляторов частоты, блок управления, блок сигнала начальной установки, причем первый вход блока управления связан с выходом второго преобразователя частоты, второй его вход соединен с блоком сигнала начальной установки, гидрораспределители управления гидроцилиндрами перемещения направляющей на забой, причем входы каждого гидрораспределителя управления гидроцилиндром перемещения соединены с напорной и сливной гидромагистралями, а первый и второй выходы соединены с поршневой и штоковой полостями этого гидроцилиндра, объемные дозаторы, первый и второй двухпозиционные гидрораспределители соответственно с первым и вторым, третьим и четвертым электромагнитами управления, связанные соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока управления, отличающееся тем, что оно снабжено первым и вторым объемными гидронасосами с постоянными рабочими объемами, третьим асинхронным электродвигателем, механической передачей, первым и вторым предохранительными гидроклапанами, гидравлическими блоками, включающими первый и второй гидроуправляемые двухпозиционные гидрораспределители соответственно с первой и второй, третьей и четвертой камерами управления, причем третий электродвигатель через механическую передачу связан с первым и вторым гидронасосами, обмотка его статора соединена с выходом второго преобразователя частоты, выход первого гидронасоса связан с напорной гидромагистралью и входом первого предохранительного гидроклапана, выход второго гидронасоса соединен со входом второго предохранительного гидроклапана, а также с первыми входами двухпозиционных гидрораспределителей с электромагнитным управлением, вторые их входы связаны со сливной гидролинией, а первый и второй выходы соединены с первой и второй гидролиниями управления, причем первая гидролиния управления соединена с первой и четвертой камерами управления гидроуправляемых двухпозиционных гидрораспределителей, а вторая гидролиния управления - со второй и третьей камерами управления этих гидрораспределителей, первый и второй входы первого и второго гидроуправляемых двухпозиционных распределителей связаны соответственно с третьим и четвертым выходами гидрораспределителей управления гидроцилиндром перемещения направляющей на забой, а их первый и второй выходы соединены с противоположными полостями объемного дозатора каждого гидравлического блока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к средствам механизации выемки полезных ископаемых, и может быть использовано в системе автоматического регулирования и управления электрогидроприводом исполнительного органа фронтального агрегата.

Известно устройство управления двухдвигательным электроприводом подачи исполнительного органа очистного комбайна, размещенного на направляющей с возможностью поступательного перемещения с помощью бесконечной тяговой цепи / Бабокин Г.И., Щуцкий В.И., Серов В.И. Частотно-регулируемый электропривод горных машин и установок. М.: Издательский центр РХТУ, 1998, с. 145-146, рис.5.5 /. Электропривод содержит два асинхронных электродвигателя, роторы которых через редукторы и звездочки соединены с тяговой цепью с возможностью перемещения исполнительного органа по направляющей.

Устройство управления включает первый и второй преобразователи частоты, регуляторы частоты, датчики нагрузки, блок выравнивания нагрузок первого и второго электродвигателей, блок задания частоты вращения. Входы преобразователей частоты присоединены к силовой сети, а выходы - соответственно к обмоткам статора первого и второго электродвигателей. К выходам первого и второго преобразователей частоты подключены датчики нагрузки, выходы которых соединены соответственно с двумя входами блока выравнивания нагрузок. Два выхода блока выравнивания нагрузок соединены с двумя входами первого регулятора частоты. Выход блока задания частоты связан с регуляторами частоты.

При выравнивании нагрузок двух асинхронных электродвигателей повышается использование установленной мощности очистного комбайна.

Недостатком данного устройства является то, что при изменении скорости подачи исполнительного органа по направляющей и постоянной скорости резания изменяется отношение шага резания к толщине стружки, что приводит к повышению удельных затрат энергии на отделение угля от массива и снижению возможной производительности очистного комбайна. Кроме того, устройство не исключает возможности возрастания сопротивления движению исполнительного органа по направляющей за счет ее изгиба в плоскости пласта и связанных с этим дополнительных затрат энергии.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство управления приводом исполнительного органа фронтального агрегата (Патент РФ2209967, МПК Е 21 С 35/24, Е 21 D 9/093, БИ № 22 от 10.08.2003 г).

Привод содержит два асинхронных электродвигателя, связанные через редукторы с приводными звездочками бесконечной тяговой цепи, оснащенной струговыми каретками с возможностью их перемещения по направляющей, гидроцилиндры перемещения направляющей на забой. Устройство управления содержит первый и второй преобразователи частоты, регуляторы частоты, датчики нагрузки, блок выравнивания нагрузок, регулятор нагрузки, блок задания нагрузки, блок управления, блок сигнала начальной установки, гидрораспределители управления гидроцилиндрами перемещения направляющей на забой, электрогидравлические блоки, включающие объемный дозатор, первый и второй двухпозиционные гидрораспределители соответственно с первым и вторым, третьим и четвертым электромагнитами управления. Входы преобразователей частоты соединены с силовой сетью, а выходы - соответственно с обмоткой статора первого и второго электродвигателей.

Выходы регуляторов частоты соединены соответственно с управляющими входами первого и второго преобразователей частоты. Датчики нагрузки подключены к выходам преобразователей частоты, а выходы датчиков нагрузки соединены с блоком выравнивания нагрузки, два выхода которого соединены со входами первого регулятора частоты.

Блок задания нагрузки соединен со входом регулятора нагрузки, другой вход которого соединен с датчиком нагрузки второго электродвигателя. Выход регулятора нагрузки соединен со входами первого и второго регуляторов частоты.

Входы каждого гидрораспределителя управления гидроцилиндром перемещения направляющей соединены с напорной и сливной гидромагистралями, первый и второй выходы этого гидрораспределителя соединены с поршневой и штоковой полостями гидроцилиндра. Третий и четвертый выходы гидрораспределителя управления соединены с двумя входами первого и второго двухпозиционных гидрораспределителей, а их первый и второй выходы соединены с противоположными полостями объемного дозатора каждого электрогидравлического блока. Один вход блока управления связан с выходом второго преобразователя, другой его вход соединен с блоком сигнала начальной установки, а четыре его выхода соединены соответственно с первым и вторым, третьим и четвертым электромагнитами управления двухпозиционными гидрораспределителями электрогидравлических блоков.

В известном устройстве при одновременном регулировании скоростей резания и подачи обеспечивается постоянство отношения шага резания к толщине стружки и минимальные удельные затраты энергии на отделение угля от массива. Кроме того, за счет синхронизации скоростей движения штоков гидроцилиндров перемещения направляющей поддерживается ее прямолинейность в плоскости угольного пласта и снижаются потери энергии при движении струговых кареток.

Недостатком известного устройства является то, что регулирование скорости движения штоков гидроцилиндров перемещения направляющей за счет изменения частоты срабатывания электромагнитов управления приводит к изменению расхода рабочей жидкости в напорной гидромагистрали. При уменьшении расхода рабочей жидкости ее излишек направляется на слив, что приводит к снижению КПД привода. Кроме того, значительное суммарное количество электромагнитов управления, длительно работающих в импульсном режиме, приводит к дополнительным затратам энергии. В результате снижается КПД электрогидропривода исполнительного органа фронтального агрегата при одновременном снижении надежности устройства управления.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД электрогидропривода исполнительного органа фронтального агрегата при одновременном увеличении надежности устройства управления этим приводом.

Сущность данного изобретения поясняется чертежом, где изображена схема устройства управления приводом исполнительного органа фронтального агрегата.

Привод исполнительного органа фронтального агрегата включает первый и второй асинхронные электродвигатели 1 и 2, связанные через редукторы 3 и 4 с приводными звездочками 5 и 6 бесконечной тяговой цепи 7, оснащенной, например, струговыми каретками 8 с возможностью их перемещения по направляющей 9. С каждой секцией направляющей 9 соединены штоки гидроцилиндров 10 перемещения этой направляющей на забой (на схеме условно показан один гидроцилиндр). Третий асинхронный электродвигатель 11 через механическую передачу 12 связан с первым и вторым объемными гидронасосами 13 и 14 с постоянными рабочими объемами.

Устройство управления приводом исполнительного органа содержит первый и второй преобразователи частоты 15 и 16, входы которых соединены с электрической силовой сетью, а выходы - соответственно с обмотками статоров первого и второго электродвигателей 1 и 2. К преобразователям частоты 15 и 16 подключены управляющие выходы регуляторов частоты 17 и 18. К выходам преобразователей частоты 15 и 16 подключены датчики нагрузки 19 и 20. Выход второго преобразователя частоты 16 на участке до входа датчика нагрузки 20 соединен также с обмоткой статора третьего электродвигателя 11. Выход датчика нагрузки 20 связан со входом регулятора нагрузки 21, второй вход которого соединен с блоком задания нагрузки 22. Выход регулятора нагрузки 21 соединен с первым входом регуляторов частоты 17 и 18.

Выходы датчиков нагрузки 19 и 20 соединены соответственно с двумя входами блока выравнивания нагрузки 23, первый и второй его выходы соединены соответственно с третьим и вторым входами регулятора частоты 17.

Поршневая и штоковая полости каждого гидроцилиндра 10 соединены с первым и вторыми выходами гидрораспределителя управления 24, входы которого соединены с напорной 25 и сливной 26 гидромагистралями. К напорной гидромагистрали 25 подключен выход первого гидронасоса 13.

Каждый гидравлический блок 27 включает первый и второй гидроуправляемые двухпозиционные гидрораспределители 28 и 29 соответственно с первой 30 и второй 31, третьей 32 и четвертой 33 камерами управления и объемный дозатор 34. Третий и четвертый выходы гидрораспределителей управления 24 связаны соответственно с первым и вторым входами двухпозиционных гидрораспределителей 28 и 29 каждого гидравлического блока 27, а их первый и второй выходы соединены с противоположными полостями объемного дозатора 34. Камеры управления 30 и 33 подключены к первой гидролинии управления 35, а камеры управления 31 и 32 - ко второй гидролинии управления 36.

Выход второго гидронасоса 14 соединен с первыми входами первого 37 и второго 38 двухпозиционных гидрораспределителей соответственно с первым 39 и вторым 40, третьим 41 и четвертым 42 электромагнитами управления. Вторые входы гидрораспределителей 37 и 38 связаны со сливной гидролинией 43, а их выходы соединены с первой и второй гидролиниями управления 35 и 36.

Блок управления 44 подключен к выходу второго преобразователя частоты 16, второй его вход соединен с блоком сигнала начальной установки 45, а первый, второй, третий и четвертый его выходы соединены с электромагнитами 39, 40, 41 и 42 управления двухпозиционными гидрораспределителями 37 и 38.

Вход первого предохранительного гидроклапана 46 подключен к выходу первого гидронасоса 13, а вход второго предохранительного гидроклапана 47 соединен с выходом второго гидронасоса 14.

Устройство управления приводом исполнительного органа фронтального агрегата работает следующим образом.

В установившемся режиме скорость перемещения исполнительного органа в виде, например, струговых кареток 8 вдоль забоя (скорость резания) по направляющей 9 с помощью бесконечной тяговой цепи 7 определяется частотой вращения первого и второго асинхронных электродвигателей 1 и 2 с короткозамкнутыми роторами, передаточным отношением редукторов 3 и 4, а также радиусом приводных звездочек 5 и 6.

Частота вращения электродвигателей 1 и 2 определяется в свою очередь частотой переменного тока, поступающего на обмотки статоров этих электродвигателей от преобразователей частоты 15 и 16.

Скорость подачи направляющей 9 на забой определяется скоростью выдвижения штоков гидроцилиндров 10 и зависит от объема рабочей жидкости, поступающей в единицу времени в поршневую полость каждого гидроцилиндра 10 из напорной гидромагистрали 25 через гидрораспределитель управления 24, установленный в позицию А.

Общий расход рабочей жидкости через напорную гидромагистраль 25 определяется производительностью первого объемного гидронасоса 13, которая в свою очередь зависит от рабочего объема гидронасоса, значение которого постоянно, передаточного отношения механической передачи 12 и частоты вращения третьего асинхронного электродвигателя 11 с короткозамкнутым ротором. Частота вращения электродвигателя 11 определяется частотой переменного тока, поступающего на обмотку статора электродвигателя 11 от второго преобразователя частоты 16.

Поскольку гидроцилиндры 10 подключены к напорной гидромагистрали 25 параллельно, то на скорости движения штоков этих гидроцилиндров влияет сопротивление перемещению секций направляющей 9 на забой. При различных значениях сопротивлений перемещению секций направляющей 9, что имеет место при работе фронтального агрегата, скорости выдвижения штоков гидроцилиндров 10 будут различны, что приведет к нарушению прямолинейности направляющей 9 в плоскости угольного пласта и увеличению сопротивления движению исполнительного органа.

Для синхронизации скоростей движения штоков гидроцилиндров 10, штоковая полость каждого гидроцилиндра через гидрораспределитель управления 24, находящийся в позиции А, соединяется с первыми входами двухпозиционных гидроуправляемых гидрораспределителей 28 и 29 каждого гидравлического блока 27.

Блок управления 44 вырабатывает прямоугольные управляющие импульсы, частота следования которых определяется частотой переменного тока на выходе второго преобразователя частоты 16 и в определенной последовательности распределяет их по линиям связи с электромагнитами управления 39, 40, 41 и 42 двухпозиционных гидрораспределителей 37 и 38. При подаче управляющих импульсов к электромагнитам 39 и 42 гидрораспределитель 37 устанавливается в левую позицию, а гидрораспределитель 38 - в правую позицию. При этом рабочая жидкость гидронасосом 14 подается под давлением в гидролинию управления 35 и далее в камеры управления 30 и 33 двухпозиционных гидрораспределителей 28 и 29 каждого гидравлического блока 27.

Гидрораспределитель 28 устанавливается в левую позицию, а гидрораспределитель 29 - в правую позицию. При этом рабочая жидкость из камер управления 31 и 32 вытесняется в гидролинию управления 36 и далее через гидрораспределитель 37 - в сливную гидролинию 43.

Рабочая жидкость из штоковой полости гидроцилиндра 10 через гидрораспределитель 28 поступает в левую полость объемного дозатора 34, поршень которого перемещается вправо, и гидроцилиндр 10 сливает в гидромагистраль 26 объем жидкости, равный рабочему объему дозатора 34.

Под действием давления рабочей жидкости, подводимой в поршневую полость гидроцилиндра 10 через первый выход гидрораспределителя 24, шток гидроцилиндра 10 перемещается на забой вместе с направляющей 9 на соответствующую величину.

Со следующим управляющим тактом блока управления 44 включаются электромагниты управления 40 и 41, гидрораспределитель 37 переключается в правую позицию, а гидрораспределитель 38 - в левую позицию. Рабочая жидкость под давлением от гидронасоса 14 поступает в гидролинию управления 36 и далее в камеры управления 31 и 32. Гидрораспределитель 28 переключается в правую позицию, а гидрораспределитель 29 - в левую позицию, при этом жидкость из камер управления 30 и 33 вытесняется в гидролинию управления 35 и далее через гидрораспределитель 38 в сливную гидролинию 43. Рабочая жидкость из штоковой полости гидроцилиндра 10 поступает в правую полость объемного дозатора 34, а из левой его полости вытесняется в сливную гидромагистраль 26. В результате шток гидроцилиндра 10 вновь перемещается совместно с направляющей 9 на забой. Со следующим управляющим тактом включаются электромагниты управления 39 и 42 и т.д.

Следовательно, с помощью гидравлических блоков 27 выдвижение штоков всех гидроцилиндров 10 осуществляется синхронно независимо от различной величины нагрузок, действующих на секции направляющей 9.

Так как гидронасосы 13 и 14 соединены с электродвигателем 11 через механическую передачу 12, то частоты вращения и производительности этих гидронасосов взаимосвязаны и определяются частотой переменного тока, подводимого от преобразователя частоты 16 к электродвигателю 11. Поэтому при изменении производительности гидронасоса 13, а следовательно и скорости подачи направляющей 9 на забой, синхронно изменяется производительность гидронасоса 14. Одновременно взаимосвязано изменяется частота управляющих импульсов, поступающих от блока управления 44 на электромагниты 39, 40, 41 и 42 гидрораспределителей 37 и 38. В результате расход рабочей жидкости за один такт управления остается постоянным, что обеспечивает снижение затрат энергии гидронасосом 14 в процессе регулирования скорости подачи направляющей 9 на забой.

Если, например, при увеличении крепости угля фактический ток электродвигателя 2, измеряемый датчиком нагрузки 20, превысит заданный, то на выходе регулятора нагрузки 21 появится сигнал, зависящий от разности между значением тока, поступающего с блока задания нагрузки 22 и фактическим значением тока электродвигателя 2. Этот сигнал поступает на первый вход регуляторов частоты 17 и 18, которые воздействуют на преобразователи частоты 15 и 16. Последние уменьшают частоту переменного тока, подводимого к электродвигателям 1 и 2, что приводит к снижению частоты вращения этих электродвигателей, редукторов 3 и 4, приводных звездочек 5 и 6 и скорости перемещения /скорости резания/ тяговой цепи 7 и струговых кареток 8 по направляющей 9.

Одновременно снижение частоты переменного тока на выходе преобразователя частоты 16 приводит к уменьшению частоты управляющих импульсов на выходе блока управления 44, а также частоты вращения электродвигателя 11, механической передачи 12 и гидронасосов 13 и 14, а также производительности этих гидронасосов.

Уменьшение производительности гидронасоса 13 приводит к снижению количества рабочей жидкости, поступающей в напорную гидромагистраль 25, в поршневые полости гидроцилиндров 10, и уменьшению скорости подачи направляющей 9 на забой.

Уменьшение производительности гидронасоса 14 происходит при одновременном пропорциональном снижении частоты управляющих импульсов на выходе блока управления 44, что приводит к соответствующему снижению частоты переключения объемных дозаторов 34 гидравлических блоков 27 при одновременной синхронизации скоростей перемещения штоков гидроцилиндров 10. Благодаря этому при уменьшении скорости подачи направляющей 9 на забой обеспечивается поддержание прямолинейности этой направляющей.

В результате пропорционального уменьшения скорости резания и скорости подачи толщина стружки остается неизменной, поэтому отношение шага резания к толщине стружки также сохраняется постоянным. Наряду с этим при уменьшении скорости резания происходит снижение мощности электродвигателей 1 и 2 и потребляемого ими тока до заданного уровня.

При уменьшении фактического тока, потребляемого электродвигателем 2, например, из-за снижения крепости угля, регулятор нагрузки 21 с помощью регуляторов частоты 17 и 18 и преобразователей частоты 15 и 16 обеспечивает увеличение частоты вращения электродвигателей 1 и 2 и скорости резания, а также пропорциональное увеличение скорости подачи направляющей 9 на забой при одновременном поддержании ее прямолинейности. В результате нагрузка электродвигателей 1 и 2 повышается и стабилизируется на заданном уровне, а отношение шага резания к толщине стружки поддерживается неизменным.

Из-за неодинаковой крепости угля в верхней и нижней пачках угольного пласта сопротивление движению нижней и верхней ветвей тяговой цепи 7 со струговыми каретками 8 может быть различным, при этом нагрузка /ток/ электродвигателя 1 будет отличаться от нагрузки /тока/ электродвигателя 2 в большую или меньшую стороны.

Сигналы, пропорциональные току электродвигателя 1 и электродвигателя 2, поступают соответственно от датчиков нагрузки 19 и 20 на входы блока выравнивания нагрузки 23. Если, например, ток электродвигателя 2 окажется больше тока электродвигателя 1, то на выходе блока выравнивания нагрузки 23, связанным с третьим входом регулятора частоты 17, появляется сигнал со знаком "+", что приводит к увеличению частоты питания электродвигателя 1 до тех пор, пока токи электродвигателей 1 и 2 сравняются. Если ток электродвигателя 1 превысит ток электродвигателя 2, то на выходе блока выравнивания нагрузки 23, связанном со вторым входом регулятора частоты 17, появляется сигнал со знаком "-", что приводит к снижению частоты питания электродвигателя 1 и уменьшению потребляемого им тока, до значения тока электродвигателя 2.

Если необходимо одномоментно выключить подачу направляющей 9 на забой, то с блока сигнала начальной установки 45, подается сигнал, под действием которого с выхода блока управления 44 поступает управляющий сигнал на включение электромагнитов 40 и 42 двухпозиционных гидрораспределителей 37 и 38. Эти гидрораспределители переключаются в правую позицию, прекращается возвратно-поступательное движение объемных дозаторов 34 и, следовательно, слив рабочей жидкости из штоковых полостей гидроцилиндров 10 в сливную гидромагистраль 26.Поршни гидроцилиндров 10 останавливаются. При этом давление рабочей жидкости на выходе гидронасосов 13 и 14 ограничивается за счет срабатывания предохранительных гидроклапанов 46 и 47, перепускающих рабочую жидкость на слив.

Для включения подачи направляющей 9 исполнительного органа на забой прекращают поступление сигнала с блока 45 и блок управления 44 начинает вырабатывать управляющие импульсы для переключения электромагнитов 39, 40, 41, 42 и связанных с ними гидрораспределителей 37 и 38. Предохранительные гидроклапаны 46 и 47 закрываются и устройство управления приводом исполнительного органа начинает работать в указанной выше последовательности.

При длительных перерывах в работе гидрораспределители 24 устанавливаются в нейтральную позицию С. При переключении распределителей 24 в позиции D и В происходит включение и реверсирование гидроцилиндров 10, например, для периодического устранения накапливающихся в процессе эксплуатации фронтального агрегата ошибок в прямолинейности направляющей 9 в плоскости пласта.

Таким образом, предлагаемое введение дополнительных блоков и элементов в сочетании с изменением и введением дополнительных связей между блоками и элементами устройства управления приводом исполнительного органа фронтального агрегата позволяет повысить КПД привода подачи исполнительного органа на забой за счет того, что автоматическое изменение скорости подачи достигается в результате применения частотно-регулируемого электропривода объемных гидронасосов, благодаря чему производительность этих гидронасосов в каждый момент времени соответствует требуемому значению скорости подачи, взаимосвязанной с регулируемой скоростью резания. Одновременно повышается надежность устройства управления за счет существенного уменьшения количества электромагнитов управления гидрораспределителями.