Материал: Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов. курсовое проектирование. Крысанов В.Н., Киселёва О.А

Вариант 7 модернизация электропривода подъема одноковшовых экскаваторов

Электроприводы основных механизмов экскаватора работают в интенсивном поворотно-кратковременном режиме, с большой частотой включения, при изменяющихся в широких пределах нагрузке на валу электродвигателя в весьма тяжелых условиях тряски, ударов, вибраций, большой запыленности. Они содержат упругие механические связи, обусловленные ограниченной жесткостью канатов, рабочего оборудования и валов передач, а также имеют значительные зазоры в передачах и в сочленениях рабочего оборудования лопаты. Для обеспечения максимальной производительности машин при минимальных нагрузках электрического и механического оборудования необходимо, чтобы система электропривода отвечала следующим требованиям:

а) электропривод должен обеспечивать надежное ограничение момента и тока допустимым стопорным значением во всех режимах работы, то есть обладать механической характеристикой экскаваторной формы. Наиболее тяжелые режимы экскаваторов – лопат при реечной передаче, практически жестко связывающей ковш с приводом.

б) электропривод должен обеспечивать экономичное регулирование скорости в диапазоне 4..6:1 и рекуперацию энергии, освобождающейся при торможениях механизма поворота или при опускании ковша. Жесткость механической характеристики при нулевом положении командоконтроллера должна обеспечивать малую скорость спуска – электрическое удержание ковша.

в) динамические свойства электропривода должны обеспечивать эффективное ограничение динамических нагрузок механизмов, содержащих упругие механические связи, зазоры и кинематические погрешности передач. Электропривод должен уменьшать износ экскаваторных механизмов за счет демпфирования упругих механических колебаний, плавного выбора зазоров и слабины канатов.

г) электроприводы экскаваторов работают в полевых условиях без постоянного квалифицированного технического ухода, поэтому к ним предъявляются повышенные требования к надежности работы, к простоте наладки и эксплуатации, к сокращению простоев при отказах электроприводов. Простота наладки электроприводов должна обеспечивать время пуска экскаватора в эксплуатацию после монтажа за 3-5 дней, а простои сокращаться за счет реализации времени восстановления работоспособности экскаватора при отказах электроники на уровне 10-15 минут.

д) тяжелые условия эксплуатации определяют необходимость применения на экскаваторах вентильных преобразователей в специализированном экскаваторном исполнении, отвечающем следующим общим требованиям:

1) схемотехника преобразователей должна быть унифицированной, максимально простой, легко осваиваемой электриками средней квалификации;

2) преобразователь должен содержать минимум комплектующих, так как наработка на отказ преобразователей определяется числом электронных элементов;

3) для повышения надежности, помехозащищенности и удобства обслуживания преобразователь должен иметь пространственно интегрированную моноблочную конструкцию, обеспечивающую минимум протяженных монтажных соединений, минимум разъемов и клемных контактов. Удельные массогабаритные показатели должны быть на уровне лучших мировых образцов;

4) преобразователи должны иметь систему самодиагности и систему индикации, указывающую на неисправный преобразователь;

5) преобразователи разных приводов на экскаваторе должны быть потенциально не связаны, а также система управления каждого преобразователя должна быть потенциально развязана с силовой схемой;

6) для повышения надежности и помехозащищенности приводов шкафы НКУ также должны иметь компактную, ремонтнопригодную пространственно интегрированную конструкцию;

7) привод должен быть работоспособным в диапазоне температур от -40⁰С до +40⁰С.

е) К числу основных требований также относятся энергосбережение, качество энергопотребления и минимальные затраты на обслуживание в эксплуатации.

Выполнение данных требований должно обеспечить удовлетворительную работу преобразовательной техники в условиях эксплуатации экскаватора.

Описание рабочей машины и технологического процесса

Экскаваторы относятся к землеройным машинам и предназначены для копания и перемещения грунта. Все экскаваторы подразделяются на две большие группы: непрерывного действия – многоковшовые и периодического (циклического) действия - одноковшовые

Экскаваторные механизмы подразделяются на главные и вспомогательные. К главным рабочим исполнительным механизмам относятся механизмы, непосредственно участвующие в процессе экскавации: напорный механизм, подъемная лебедка, механизмы поворота и передвижения, а также двигатель открывания днища ковша.

Вспомогательными механизмами являются компрессоры, вентиляторы, наносы и так далее.

Определяющее внимание на производительность и надежность работы экскаваторов оказывает тип применяемого силового электропривода.

Электроприводы главных механизмов экскаватора ЭКГ–10 построены по системе Г–Д с тиристорным возбуждением. Отличительной особенностью является применение генераторов серии 4ГПЭМ, которая позволяет максимально использовать быстродействие малоинерционной полупроводниковой системы управления и тиристорного возбудителя. Система Г–Д имеет высокую управляемость, хорошие статические и динамические характеристики, большую надежность и сравнительно простое обслуживание.

Участок добычи является одним из основных подразделений входящих в состав Рудоуправления. На участке добычи ведется буровзрывные работы, добыча кварцита и богатых руд, а также отгрузка горных пород на автотранспорт типа БЕЛАЗ (грузоподъемностью 120 и 140 тонн).

Погрузка на автотранспорт осуществляется одноковшовым экскаватором циклического действия типа ЭКГ-8И или ЭКГ-10 (рисунок). Для погрузки одного БЕЛАЗа экскаватору в среднем требуется 5-7 циклов в зависимости от категории породы и от качества взрывных работ. Рабочий цикл экскаватора состоит следующих основных операций:

- опускания ковша в забой;

- копания, во время которого происходит отделение грунта от массива с наполнением ковша и его подъемом вверх;

- поворота платформы к месту разгрузки ковша;

- открывания днища ковша и разгрузка;

- возвращения в забой с одновременным закрыванием ковша.

Рабочий процесс (экскавация) одноковшового экскаватора слагается из отдельных циклов. Цикл работы экскаватора – лопаты состоит из следующих основных операций: опускания ковша в забой; копания, во время которого производится отделение грунта от массива с наполнением ковша и его подъемом вверх; поворота платформы к месту разгрузки ковша; открывания днища ковша и разгрузки; возвращения в забой с закрыванием ковша.

Продолжительность цикла работы при повороте на 90 для ЭКГ-10 составляет 26-29 сек.

Во время копания величина снимаемого слоя и заполнения ковша регулируется увеличением или снижением усилия напора, вследствие чего рукоять с ковшом подается в забой или выдвигается из него, изменяя величину заполнения ковша.

Одноковшовый экскаватор

После завершения одного цикла операции повторяются до тех пор, пока не будет полностью разработан слой грунта в зоне копания, что определяется полным выдвижением рукояти. Затем экскаватор передвигается ближе к забою.

Следует заметить, что экскаватор перемещается внутри карьера самостоятельно. Величина снимаемого слоя и заполнения ковша регулируется увеличением или снижением усилия напора, вследствие чего рукоять с ковшом подается в забой или выдвигается из него, изменяя величину заполнения ковша.

БЕЛАЗ отвозит горную массу на внутрикарьерный склад, откуда железнодорожным транспортом (погрузка на который также осуществляется экскаваторами) вывозится на дробильную фабрику.

Карьерный одноковшовый экскаватор циклического действия является основным электрооборудованием в технологическом процессе участка добычи и, как следствия, всего комбината.

Анализ системы управления электроприводов на карьерных экскаваторах

Крупнейший в Европе железорудный бассейн КМА объединяет три горнорудных предприятия – Лебединский, Стойленский и Михайловский горно-обогатительные комбинаты (ГОК). Добыча полезных ископаемых путем открытых разработок на этих комбинатах ведется экскаваторами средней и большой производительности. Экскаваторный парк этих предприятий, рассматривая только экскаваторы-лопаты ЭКГ-4,6, ЭКГ-8И и ЭКГ-10, представлен следующими системами управления электроприводов:

а) Г-Д с магнитными усилителями, разработанная кафедрой АЭП МЭИ. В эксплуатации около 60 экскаваторов;

б) ТВ-Г-Д, разработанная ОАО «Электропривод». В эксплуатации около 15 экскаваторов;

в) ТВ-Г-Д, разработанная кафедрой АЭП МЭИ. В эксплуатации около 20 экскаваторов;

г) ТВ-Г-Д, разработанная электротехнической фирмой АО «Электросила». В эксплуатации около 15 экскаваторов.

В настоящее время за счет модернизаций разной глубины и объемов, проводимыми ГОКами осуществляется замена магнитных усилителей на тиристорные. Для экскаваторов, работающих в тяжелых условиях, эта задача является достаточно сложной в связи с более сложной системой управления. Разработчики системы Г-Д с тиристорными возбудителями учитывают сложный комплекс требований, которым должны удовлетворять новые системы управления основных электроприводов, главными из которых являются надежность и простота эксплуатации. Однако решаются эти проблемы по разному.

В системе управления ТВ-Г-Д (ОАО «Электропривод») цель достигается за счет максимального упрощения конструкции тиристорного преобразователя (типа Б3801), – он смонтирован в унифицированной блочной конструкции БУК, с однополупериодной схемой выпрямления без резервирования на экскаваторе. Применяется двухконтурная система подчиненного регулирования. В системе управления ТВ-Г-Д (АЭП МЭИ) цель достигается за счет применения моноблочной безналадочной конструкции тиристорного преобразователя, обеспечивающей отсутствие простоев экскаваторов за счет замены неисправного блока резервным. За основу принята нулевая трехпульсная схема выпрямления с минимальным числом электронных компонентов. Применяется двухконтурная система подчиненного регулирования с двухступенчатым зависимым задатчиком интенсивности, обеспечивающим ограничение и снижение динамических нагрузок механического оборудования главных электроприводов.

В системе управления ТВ-Г-Д (АО «Электросила») очевиден расчет разработчика на то, что высокую надежность может обеспечить применение неограниченно большого количества элементов за счет резервирования отдельных плат (ячеек) и силовых блоков, создания индивидуальных ячеек диагностики рабочих ячеек. Конструктивно – это кассеты с втычными платами, БУК-_Б. применяется двухконтурная система с рядом гибких связей, которые, как считает разработчик, не должны осложнить наладку и эксплуатацию электроприводов.

Задачу модернизации по заказам ГОКов ОАО «Рудоавтоматика» решает на базе разработанных кафедрой АЭП МЭИ по заданию НКМЗ преобразователей ПТЭМ-1Р первого поколения. На основании многолетнего опыта эксплуатации тиристорных преобразователей ПТЭМ-1Р, с учетом результатов трехлетних статических исследований их надежности на экскаваторах Михайловского ГОКа и с использованием современных электронных комплектующих на кафедре АЭП МЭИ группой экскаваторного электропривода под руководством профессора, д.т.н. Ключева В.И. выполнена разработка серии преобразователей ПТЭМ-2Р второго поколения. Новая серия преобразователей ПТЭМ-2Р обеспечивает широкие возможности создания современных и перспективных электроприводов, отвечающих условиям работы на экскаваторах и исключающих простои экскаваторов при возможных отказах электроники.

Основным видом электроприводов карьерных экскаваторов в ходе проведения модернизаций на горно-обогатительных комбинатах останется система ТВ-Г-Д постоянного тока. Она требует вложения огромных средств и позволяет повысить производительность экскаваторов, уменьшить износ механического оборудования и потребления энергии.