устройство регулирования скорости подачи стреловидного исполнительного органа проходческого комбайна

Формула изобретения

Устройство регулирования скорости подачи стреловидного исполнительного органа проходческого комбайна, включающее гидроцилиндры горизонтального поворота, вертикального подъема и выдвижения телескопа, электрогидрораспределители для управления этими гидроцилиндрами, насос с электроприводом, маслоблок, выносной пульт управления с кнопками для подачи команд управления электрогидрораспределителям, отличающееся тем, что дополнительно содержит аналоговые датчики углов поворота и подъема стрелы исполнительного органа, линейный аналоговый датчик положения телескопа, датчик тока электродвигателя привода резания исполнительного органа с выпрямителем и фильтром низких частот для подавления высокочастотных шумов и наводок, микроконтроллер, первые входы которого через аналого-цифровые преобразователи подключены к выходам датчиков горизонтального поворота, вертикального подъема, выдвижения телескопа, датчика тока, а вторые входы через интерфейс подключены к кнопкам задания перемещения стрелы в горизонтальном, вертикальном направлениях подачи телескопа и пульту управления, а выход - с широтно-импульсно модулированным сигналом через фильтр низких частот к частотному преобразователю, соединенному с обмоткой статора электродвигателя для регулирования частоты вращения ротора электродвигателя и вала аксиально-поршневого насоса переменной производительности, при этом в память микроконтроллера заложен алгоритм определения крепости разрушаемой горной породы забоя в соответствии с соотношением



где V_п - допустимая предельная скорость подачи, м/мин;

f - крепость горной породы по шкале проф. М.М. Протодьяконова;

a, b - экспериментальные константы, а=10,45; b=0,52,

запрограммирована функция расчета производительности аксиально-поршневого насоса в зависимости от фактического тока ротора I_ф (нагрузки) электродвигателя привода резания исполнительного органа, крепости горных пород, допустимых скоростей подачи, углов горизонтального поворота - и вертикального подъема - и конструктивных параметров комбайна: радиуса турели - R_Т, длины стрелы - L_стр, выдвижения телескопа - L_т, диаметров гидроцилиндров (поршневых полостей S_пг, S_пв, S_пт - горизонтального поворота, вертикального подъема, выдвижения телескопа; штоковой полости S_шг - горизонтального поворота) в виде



где Q_max - максимальная производительность аксиально-поршневого насоса, дм³/мин;

5 - коэффициент предельного тока ротора (нагрузки) электродвигателя привода резания исполнительного органа;

I_н - номинальный ток ротора (нагрузка) электродвигателя привода резания, А;

f - текущий коэффициент крепости горных пород;

V_п - допустимая предельная скорость подачи в зависимости от крепости горных пород, м/мин;

10 - коэффициент, дм³/м;

R_B - расстояние от оси вращения стрелы в вертикальной плоскости до точки закрепления штока гидроцилиндра вертикального подъема на стреле, м;

- константа - угол между линией, параллельной опорам комбайна, и линией, проходящей через точку крепления гидроцилиндра подъема и ось вращения стрелы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к проходческим комбайнам и может быть использовано в угольной промышленности.

Проходческий комбайн со стреловидным исполнительным органом содержит взаимосвязанную через забой систему главного электропривода резания с нерегулируемым асинхронным короткозамкнутым электродвигателем и исполнительный гидропривод подачи. Уровень тока ротора (нагрузки) электродвигателя привода резания исполнительного органа проходческого комбайна определяется крепостью горной породы и скоростью подачи исполнительного органа. Это дает возможность управлять током ротора (нагрузкой) электродвигателя привода резания изменением скорости исполнительного гидропривода подачи.

Известен проходческий комбайн КПЛ [1], содержащий аппаратуру управления и диагностики, дистанционное проводное и радиоуправление, контроль параметров основных узлов и систем.

Недостаток - отсутствие регулирования скорости подачи исполнительного органа при стабилизации тока нагрузки.

Наиболее близким является комбайн проходческий КСП-35 [2], управление которым осуществляется с выносного пульта. Два уровня задания скоростей подачи исполнительного органа дают возможность повысить эффективность процесса резания в зависимости от крепости горной породы и свести к минимуму затраты времени на холостые прогоны исполнительного органа.

Недостаток - два уровня скорости подачи при изменении крепости разрушаемых горных пород в диапазоне от f=1,8 до f=8, при которых скорость подачи изменяется от 3,75 м/мин до 0,29 м/мин, то есть в 12,8 раза, не обеспечивают задания на рациональную скорость перемещения, обеспечивающую заданный ток нагрузки электропривода резания и высокую эффективность разрушения горных пород.

Задачей технического решения является обеспечение рационального изменения задания на ток нагрузки электропривода резания с плавным изменением скорости подачи исполнительного органа при переходе от одного уровня задания току нагрузки на другой в диапазоне крепостей разрушаемых горных пород от f=1,8 до f=8 и стабилизации заданного тока нагрузки независимо от угла поворота стрелы исполнительного органа с защитой асинхронного короткозамкнутого электродвигателя привода резания от длительных перегрузок и «опрокидывания».

Сущность технического решения состоит в том, что устройство, включающее гидроцилиндры горизонтального поворота, вертикального подъема и телескопа, электрогидрораспределители для управления этими гидроцилиндрами, насос постоянной производительности, маслоблок, выносной пульт с кнопками для подачи команд управления электрогидрораспределителями, дополнительно содержит аналоговые датчики углов поворота и подъема стрелы исполнительного органа, линейный аналоговый датчик положения телескопа, датчик тока электродвигателя привода резания исполнительного органа с выпрямителем и фильтром низких частот для подавления высокочастотных шумов и наводок, микроконтроллер, первые входы которого через аналого-цифровые преобразователи подключены к выходам датчиков горизонтального поворота, вертикального подъема, выдвижения телескопа, датчика тока, а вторые входы через интерфейс подключены к кнопкам задания перемещения стрелы в горизонтальном, вертикальном направлениях, выдвижению телескопа и к пульту управления, а выход с широтно-модулированным сигналом через фильтр низких частот к частотному преобразователю, соединенному с обмоткой статора электродвигателя для регулирования частоты вращения ротора электродвигателя и вала насоса переменной производительности (аксиально-поршневого), при этом в память микроконтроллера [3] заложен алгоритм определения крепости разрушаемой горной породы забоя в соответствии с соотношением

,

где V_n - допустимая предельная скорость подачи, м/мин;

f - крепость горной породы по шкале проф. М.М.Протодьяконова:

a, b - экспериментальные константы, а=10,45; b=0,52.

Запрограммирована функция расчета производительности аксиально-поршневого насоса в зависимости от фактического тока ротора I_ф (нагрузки) электродвигателя привода резания исполнительного органа, крепости горных пород, допустимых скоростей подачи, углов горизонтального поворота - и вертикального подъема - и конструктивных параметров комбайна: радиуса турели - R_T, длины стрелы - L_стр, выдвижения телескопа - L_m, диаметров гидроцилиндров (поршневых полостей S_пг, S_пв, S_пm - горизонтального поворота, вертикального подъема, выдвижения телескопа; штоковой полости S_шг - горизонтального поворота) в виде:

где Q_max - максимальная производительность аксиально-поршневого насоса, дм³ /мин;

5 - коэффициент предельного тока ротора (нагрузки) электродвигателя привода резания исполнительного органа;

I_н - номинальный ток ротора (нагрузка) электродвигателя привода резания, А;

f - текущий коэффициент крепости горных пород;

V_n - допустимая предельная скорость подачи в зависимости от крепости горных пород, м/мин;

10 - коэффициент, дм ³/м;

R_B - расстояние от оси вращения стрелы в вертикальной плоскости до точки закрепления штока гидроцилиндра вертикального подъема на стреле, м;

- константа - угол между линией, параллельной опорам комбайна и линией, проходящей через точку крепления гидроцилиндра подъема и ось вращения стрелы.

Для обработки забоя стреловидным исполнительным органом проходческого комбайна необходимо разрушать породные прослойки, твердые включения (валуны), а также пресекать породы почвы и кровли подготовительных выработок. Скорость подачи исполнительного органа необходимо плавно регулировать, чтобы достичь максимально эффективной работы проходческого комбайна.

Устройство регулирования скорости подачи содержит два контура: внутренний - контур регулирования скорости подачи; внешний - контур регулирования тока электродвигателя привода резания, программно реализованных в микроконтроллере. Контур скорости подачи выполняет функцию поддержания на заданном уровне тока электродвигателя привода резания исполнительного органа, а заданием для контура скорости подачи служит выходной сигнал регулятора тока внешнего контура. Задание регулятору скорости формируется в зоне (0,8-0,85) значения максимального момента электродвигателя с учетом колебаний напряжения электрической сети, для прорезания горных пород высокой крепости. Устройство регулирования скорости подачи через широтно-импульсный регулятор управляет транзисторным преобразователем частоты, регулирующим скорость вращения ротора и вала аксиально-поршневого насоса, который, в свою очередь, регулирует поток жидкости в напорной гидромагистрали гидроцилиндров поворота, подъема, телескопа, а следовательно, скорость подачи исполнительного органа проходческого комбайна.

Устройство регулирования скорости подачи основано на принципе разнотемповых процессов и инверсии, что позволяет получать заданные показатели качества процесса регулирования (заданное быстродействие и плавность переходных процессов).

Работа устройства поясняется чертежами:

Фиг.1 - функциональная схема системы главного электропривода резания и исполнительного гидропривода подачи с микроконтроллерным регулированием скорости подачи при повороте стрелы исполнительного органа проходческого комбайна в горизонтальной плоскости;

Фиг.2 - фрагмент функциональной схемы, иллюстрирующей действие исполнительного гидропривода подачи при перемещении стрелы исполнительного органа проходческого комбайна в вертикальной плоскости и выдвижении телескопа.

На фигурах приняты следующие обозначения:

1 - гидроцилиндры горизонтального поворота стрелы;

2 - гидроцилиндры вертикального подъема стрелы;

3 - гидроцилиндры выдвижения телескопа;

4, 5, 6 - электрогидрораспределители управления гидроцилиндрами горизонтального поворота, вертикального подъема стрелы и выдвижения телескопа с электромагнитами постоянного тока 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12 - соответственно;

13 - маслонасос переменной производительности - аксиально-поршневой;

14 - частотно-управляемый электропривод на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором для регулирования скорости вращения ротора электродвигателя и вала насоса;

15 - маслоблок;

16 - выносной пульт управления с кнопками 17 и 18, 19 и 20, 21 и 22 для управления электрогидрораспределителями 4, 5 и 6;

23 - аналоговый датчик угла горизонтального поворота стрелы;

24 - аналоговый датчик угла вертикального подъема стрелы;

25 - аналоговый датчик положения телескопа;

26 - датчик тока электродвигателя привода резания исполнительного органа с выпрямителем 27 и фильтром низких частот 28;

29 - микроконтроллер;

30, 31, 32, 33 - аналого-цифровые преобразователи;

34 - память программ микроконтроллера [3];

35 - память микроконтроллера с таблицей допустимых скоростей подачи исполнительного органа в зависимости от крепости горных пород по шкале проф. М.М.Протодьяконова [3];

36 - память микроконтроллера для хранения данных о производительности аксиально-поршневого насоса;

37 - турель с центром O_T и радиусом R_T;

38 - стрела исполнительного органа;

39 - телескоп;

40 - коронка (фреза) исполнительного органа;

41 - электродвигатель привода резания исполнительного органа;

42 - ядро микроконтроллера, работающее в реальном времени;

43 - фильтр усреднения напряжения широтно-модулированного сигнала выхода микроконтроллера;

44 - частотный преобразователь.

Устройство работает следующим образом.

Для обработки забоя машинист комбайна включает электродвигатель привода резания исполнительного органа и нажимает, удерживая, одну из кнопок 17 или 18, 19 или 20, 21 или 22 выносного пульта 16 управления для включения электрогидрораспределителей поворота 4, подъема 5, телескопа 6. При этом в ядро микроконтроллера 42 поступают сигналы от датчиков обратной связи положения стрелы 23 или 24, телескопа 25 и тока ротора электродвигателя 26. Ядро микроконтроллера производит выборку информации (память 35) о допустимом значении скорости подачи в зависимости от текущего рассчитанного значения крепости горной пород, заложенной в памяти 35. Выполняется программа [3] стабилизации тока нагрузки для текущего значения крепости разрушаемой горной породы за счет управления скоростью подачи. Полученный выходной широтно-модулированный сигнал через фильтр выделения среднего напряжения 43 передается на частотный преобразователь 44, который управляет скоростью подачи исполнительного органа, изменяя скорость вращения вала электродвигателя 14 и аксиально-поршневого насоса 13. В случае, если датчик тока 26 электродвигателя привода резания исполнительного органа выдает сигнал о превышении допустимой нагрузки, скорость подачи снижается вплоть до нулевого значения, в связи с чем поступает команда от микроконтроллера на отвод исполнительного органа из зоны контакта с твердым включением, затем машинист оконтуривает валун для удаления его из пласта.

Одновременная команда на электрогидрораспределители 4 и 5 создает диагональное движение коронки по забою со скоростью подачи, на 40% превышающей координатную скорость, при этом фактическая скорость подачи определяется (ограничивается) током ротора (нагрузкой) электродвигателя привода резания исполнительного органа 41, то есть сигналами датчика тока 26.

Возможны одновременные подачи команд на электрогидрораспределители 4 и 6, в этом случае осуществляется операция «подрез с зарубкой», выполняемая при прохождении поворота выработки. Скорость подачи зависит от угла горизонтального поворота и положения телескопа, с учетом вычисленной крепости горных пород, а также от заданного тока ротора (нагрузки) электродвигателя привода резания исполнительного органа.

Ядро микроконтроллера работает в реальном режиме времени с дискретностью перерасчета данных каждые 1±0.0001 мс, а так как электрогидрораспределитель срабатывает не более чем за 10 мс, то на выходе получаем результат, соответствующий состоянию параметров на момент поступления управляющего сигнала. В этом случае повышается эффективность работы проходческого комбайна, то есть возможна максимальная нагрузка электродвигателя привода резания с исключением его «опрокидывания» при допустимой скорости подачи, зависящей от крепости горной породы. При регулировании скорости подачи для стабилизации тока нагрузки исполнительного органа проходческого комбайна сводится к минимуму переизмельчение разрушенной горной породы.

Источники информации

1. Комбайн проходческий КПЛ Горловского машиностроительного завода / Проспект международной выставки - ярмарки «Уголь России и Майнинг», 2010 г.

2. Комбайн проходческий КСП-35 Ясиноватского машиностроительного завода / Проспект международной выставки - ярмарки «Уголь России и Майнинг», 2010 г.

3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008615816 «Микроконтроллерная управляющая система стабилизации нагрузок электропривода резания исполнительного органа проходческого комбайна» по заявке № 2008614798 от 21.10.2008 г., зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 05.12.2008 г. [Текст] / П.Н.Кунинин, А.Т.Мещерин, Ю.А.Мещерина // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - М.: 2008.