Электропривод непрерывного транспортёра

1 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭКСКАВАТОРОВ 

      Экскаваторы используются для разработки угольных, рудных и строительных карьеров, для выемки полезных ископаемых открытым способом, на строительстве каналов, гидротехнических сооружений, железных дорог и других объектов, где имеется большой объем земляных работ. В соответствии с назначением одноковшовые экскаваторы подразделяются на:

1. строительные, гусеничные и пневмоколесные с ковшами емкостью от 0,25 до 2,0 м³;
2. карьерные экскаваторы-лопаты, гусеничные с ковшами емкостью 4,6 и 8,0 м³;
3. вскрышные экскаваторы-лопаты, гусеничные с ковшами емкостью от 4,0 до 35 м^{3 ;}
4. шагающие экскаваторы-драглайны с ковшами емкостью от 
   4,0 до 80 м³.

      Тип экскаватора расшифровывается его  наименованием, например: экскаватор типа ЭВГ-15 является экскаватором (Э) для вскрышных работ (В) на гусеничном ходу (Г) с ковшом объемом 15 м³. Шагающие экскаваторы-драглайлы имеют в цифровом обозначении объем ковша и длину стрелы. Например, экскаватор ЭШ-14/65 имеет ковш 14 м³ и длину стрелы 65м.

      Все экскаваторы можно классифицировать по конструкции рабочего оборудования, мощности или емкости ковша, роду привода и типу ходовой части. По конструкции рабочего оборудования различаются следующие типы экскаваторов:

1. прямая механическая лопата; ковш перемещается по забою 
   от машины под совместным действием напорного и подъемного механизмов;
2. лопата-струг; ковш двигается по направляющей стреле от машины в горизонтальном направлении;
3. экскаватор-драглайн; ковш перемещается по забою к машине при помощи тягового и подъемного канатов;
4. экскаватор  с грейфером, захватывающим   грунт   из забоя смыканием створок; вместо грейферного устройства может быть подвешен крюк или копер;
5. роторный экскаватор, имеющий роторное колесо с черпаками 
   для зачерпывания породы;

  6) многочерпаковый цепной экскаватор, имеющий непрерывную цепь с черпаками, предназначенный для вскрышных работ.

      По  емкости ковша, или мощности, одноковшовые экскаваторы классифицируются на: экскаваторы малой мощности с емкостью ковша от 0,25 до 2,0 м³, предназначенные для строительных работ; средней мощности – с емкостью ковша от 2,0 до 6,0 м³, используемые для работы в легких, средних и разрыхленных грунтах; большой мощности – с емкостью ковша от 6,0 до 80м³, применяемые для производства вскрышных работ.

      По роду привода экскаваторы разделяются на электрические, дизель-электрические, паровые, с двигателями внутреннего сгорания, По типу электропривода различают экскаваторы с приводом на переменном и постоянном токе.

      По  конструкции ходовой части экскаваторы  подразделяются на гусеничные, железнодорожные (на рельсовом ходу) и шагающие. Конструкция отдельных узлов в зависимости от назначения может быть весьма разнообразной, но основная компоновка механизмов у экскаваторов одинаковой производительности остается неизменной. 
 

2. ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ ЭКСКАВАТОРОВ 

      Режимы  работы экскаватора определяются его  механической конструкцией и особенностями процесса копания. В связи с этим требования, предъявляемые к электроприводу одноковшовых и многоковшовых экскаваторов, имеют существенное различие. Основные требования к электроприводу одноковшовых экскаваторов могут быть сформулированы следующим образом:

1. механические характеристики главных приводов (подъема, поворота, напора или тяги) должны обеспечивать надежную защиту при перегрузках, т. е. иметь «экскаваторную» характеристику;
2. экскаваторные двигатели должны быть надежными и прочными по конструкции, обеспечивать возможность реверсирования привода и допускать большие перегрузки. Изоляция электродвигателя должна быть влагостойкой и надежно рассчитана по теплостойкости. Большие габариты двигателей обусловливают применение машин с разъемными статорами.  Электродвигатели   должны выдерживать большое число включений в час (400-600);
3. электродвигатели главных приводов должны иметь наименьший момент инерции якорей для уменьшения времени переходных процессов при пуске и торможении привода, что достигается увеличением осевой длины якоря при уменьшении его диаметра;
4. электрическая аппаратура управления должна обеспечивать 
   надежную работу при самых тяжелых условиях нагрузки (тряска, 
   толчки, большое число включений в час);

  5) система управления электроприводом должна быть простой, 
надежной и легкой, а также должна допускать максимальную автоматизацию управления главными приводами экскаватора с тем, чтобы внимание машиниста было сосредоточено на основной работе.

      Высокая производительность экскаватора и  защита его механизмов от поломок при перегрузках производится использованием систем электропривода, ограничивающих вращающий момент электродвигателя безопасной величиной и имеющих при номинальной нагрузке достаточно жесткие механические характеристики, но на практике используются более мягкие характеристики, имеющие небольшой наклон в области номинальной нагрузки (жесткость 85–90%). Повышение жесткости характеристик усложняет управляемость процессом работы, так как в случае зарывания ковша машинист не успевает регулированием толщины снимаемой стружки предупредить стопорение механизма. Стопорение ковша приводит к увеличению времени копания, что снижает производительность экскаватора .

       На рис.1 представлены        механические     характеристики     различных

Рис. 1. Механические характеристики    систем    электропривода экскаваторов:

а — определение коэффициента заполнения; б — характеристики различных типов электропривода

типов электродвигателей и систем электропривода в относительных единицах, позволяющие провести оценку оптимальности использования электроприводов. Асинхронный привод (характеристика 1) получил широкое распространение в экскаваторах с емкостью ковша до 1 м³. Применение двигателей с повышенным скольжением дает возможность обеспечивать токоограничение в необходимых пределах. Для некоторого смягчения естественной характеристики в цепь ротора двигателя включается дополнительное сопротивление, составляющее 10-15% от номинального. Включение в цепь статора асинхронного двигателя реакторов с подмагничиванием или магнитных усилителей (характеристика 2) позволяет получить более оптимальную характеристику привода.

      Система генератор — двигатель с трехобмоточным генератором (характеристика 3) получила распространение на экскаваторах средней мощности с емкостью ковша 2—5 м³. Механическая характеристика электропривода приближается к оптимальной и позволяет получать широкий диапазон и плавность регулирования скорости механизма. Наиболее полно отвечают предъявляемым требованиям механические характеристики системы генератор–двигатель с управлением от электромашинных, магнитных и полупроводниковых усилителей (характеристика 4). В настоящее время эта система применяется на всех экскаваторах большой мощности с емкостью ковша 10—80 м³.

      Электропривод многоковшовых и роторных экскаваторов должен и удовлетворять следующим основным требованиям:

   1) электропривод должен обеспечивать плавный многоступенчатым пуск, ограничивающий величину максимальных  ускорений   и моментов в пределах, допустимых для механической конструкции черпаковой цепи экскаватора;

2. электродвигатели должны иметь большой пусковой момент 
   для преодоления усилий, возникающих в черпаковой цепи, имеющей большие моменты инерции, и сил трения в направляющих  и 
   роликах; механические характеристики привода должны обеспечивать надежную защиту при перегрузках механизмов;
3. система управления электроприводом должна допускать возможность регулирования скорости двигателя вниз на 30% от номинальной величины и плавный многоступенчатый пуск, при котором ускорения и моменты не должны превышать пределов, опасных для механической конструкции механизма;
4. электропривод должен иметь смягченную механическую характеристику, позволяющую снижать   скорость   черпаковой   цепи или роторного колеса при изменении нагрузки.

      Требования  к аппаратуре управления и условиям эксплуатации электрооборудования многоковшовых экскаваторов не отличаются от требований, предъявляемых к электрооборудованию одноковшовых экскаваторов. 

3. НАГРУЗОЧНЫЕ ДИАГРАММЫ 

      Построение  точных нагрузочных диаграмм главных  приводов экскаватора требует знания параметров приводного двигателя, системы управления, значений приведенных маховых масс и статических моментов механизмов ори различных режимах работы. Эти данные могут быть получены только после предварительного выбора мощности двигателей. Вид реальной нагрузочной диаграммы зависит от типа экскаватора, его механической конструкции и технологических режимов работы экскаватора и во многом определяется квалификацией машиниста.

      Для предварительного выбора мощности двигателя  может быть построена упрощенная нагрузочная диаграмма, в которой  учитывается только статическая нагрузка механизма. Точный учет всех особенностей работы экскаватора связан с большими трудностями, поэтому для расчета привода используют нагрузочные диаграммы, достаточно близкие к реальным режимам работы экскаватора. Цикл работы механизма подъема (рис.2,а) состоит из следующих основных рабочих периодов: t₁ – разгон двигателя в начале черпания (копания) грунта; t₂ – подъем ковша с рукоятью в период черпания грунта; t₃ – остановка ковша с грунтом после выхода из забоя; t₄ – равновесное поддержание ковша с грунтом при повороте его к месту выгрузки; t₅ – выгрузка ковша, момент двигателя уменьшается с опорожнением ковша от грунта; t₆ – разгон двигателя при опускании пустого ковша; t₇ – опускание порожнего ковша с постоянной скоростью;      t₈ – торможение ковша перед опусканием, на грунт.

  Из  нагрузочной диаграммы следует, что двигатель подъема экскаватора–лопаты работает с относительной продолжительностью включения ПВ= 100%. Знак момента двигателя определяется статическим моментом нагрузки, который на механизме подъема носит потенциальный характер.

      Нагрузочная диаграмма напорного двигателя  представлена на рис.2, б. Работу напорного механизма можно разбить на следующие участки:               t₁ – разгон двигателя для внедрения ковша в грунт при совместном действии с механизмом подъема; t₂ – ход рукояти вперед (от экскаватора) в процессе зачерпывания грунта; t₃ – реверс двигателя напора при отводе рукояти назад от забоя для частичной компенсации веса ковша с грунтом; t₄ – движение рукояти с равномерной скоростью от забоя; t₅ – торможение привода рукояти при частичном уравновешивании веса ковша. Обычно отвод рукояти совпадает с выходом ковша из забоя и началом поворота экскаватора для выгрузки ковша; t₆ – пауза, обусловленная поворотом экскаватора; t₇ – разгон привода напора для выдвижения рукояти на максимальный радиус при необходимости выгрузки грунта на наибольшее расстояние от экскаватора; t₈ – движение рукояти с постоянной скоростью; t₉ – затормаживание привода перемещения рукояти; t₁₀ – пауза, связанная с выгрузкой грунта из ковша.

   Окончание движения рукояти обусловливает  начало выгрузки ковша (М₅, рис.2,а) и торможение механизма поворота (М₃, рис.2,в). В некоторых случаях выдвижение рукояти на максимальный радиус не производится, тогда привод напора не работает и пауза равна  t₆+t₇+t₈+t₉+t_10.

   Далее на рис.2,б t₁₁ – разгон привода для выдвижения рукояти к началу забоя; t₁₂ – движение рукояти с постоянной скоростью; t₁₃ – торможение привода напора перед внедрением ковша в забой. При внедрении ковша в разрабатываемый грунт (t₂) механизм напора подвергается максимальным перегрузкам, и режим работы его является наиболее тяжелым.

  Работа  поворотного двигателя начинается после выхода ковша из забоя (рис.2,б), здесь t₁ – пауза при движении ковша в забое; t₂ – разгон двигателя при повороте груженого ковша; t₃ – движение экскаватора с постоянной скоростью;    t₄ – торможение двигателя. При небольших углах поворота экскаватора (45°–60°) движение с постоянной скоростью (t₃) может отсутствовать, а сразу же за разгоном привода следует торможение; t₅ – пауза для выгрузки грунта из ковша; t₆ – разгон привода для поворота порожнего ковша в обратном направлении; t₇ – движение механизма с постоянной скоростью; t₈ – торможение механизма поворота.

  В некоторых случаях для упрощения расчетов нагрузочная диаграмма не учитывает динамических режимов привода, тогда для механизма напора обычно принимают М₁= М₂; M₃ = М₄; М₅ = М₄; М₆==М₇; М₈ = М₇; М₉ = М₁₀ и M₁₁ = M₁₀. Аналогичным образом может быть упрощена нагрузочная диаграмма подъемного двигателя.

      Рис.2  Нагрузочные диаграммы рабочих механизмов экскаватора с прямой лопатой:

а – механизма тяги; б – механизма подъёма мощного шагающего

экскаватора-драглайна

  Поворотный  механизм драглайна имеет нагрузочную  диаграмму, аналогичную диаграмме для экскаватора-лопаты (см. рис.2). Цикл работы механизма тяги (рис.3,а) можно разбить на следующие участки: t₁ – разгон двигателя при внедрении ковша в грунт; t₂ – черпание грунта (по мере наполнения ковша момент двигателя М₂ увеличивается); t₃ – окончание зачерпывания.

  Рис.3. Нагрузочные диаграммы:

а – механизма тяги;   б– механизма подъёма мощного шагающего экскаватора-драглайна

      При нормальном режиме работы нагрузочная  диаграмма поворотного механизма драглайна рассмотрена на рис.2,в. Челночный режим работы драглайна позволяет получить половину диаграммы за цикл работы в связи с поворотом экскаватора на 360° и выгрузкой грунта  из ковша в отвал без остановки поворотного механизма.

      Главный привод роторных и многоковшовых экскаваторов работает в длительном режиме с небольшими изменениями нагрузки, носящими случайный характер. Влиянием пусковых режимов на нагрев двигателя обычно пренебрегают из-за их редкости. При расчете мощности двигателя изменение нагрузки учитывается введением поправочных коэффициентов в выражение для статической мощности. 

4. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ЭКСКАВАТОРОВ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ 

      Для привода экскаваторов малой мощности используются аппаратура и двигатели общепромышленных типов. На экскаваторе устанавливается один приводной двигатель, постоянно вращающийся в одном направлении. Защита двигателя осуществляется автоматическим выключателем, имеющим максимальные и нулевое реле. Одна из типовых схем электрооборудования экскаватора приведена на рис.4. Пуск двигателя производится ручным включением автоматического выключателя АВ при этом получает питание катушка реле напряжения РН (нулевое реле), удерживающая контакты выключателя в замкнутом состоянии. Дальнейшее увеличение скорости двигателя производится нажатием кнопки «быстро», замыкающей цепь питания контактора ускорения У. Остановка двигателя происходит при нажатии кнопки «стоп», отключающей катушку нулевого реле РН и автомат АВ. Контакты выключателя также отключают двигатель от сети при срабатывании максимальной защиты (реле РМ) и понижении напряжения (реле РН).

        Подача напряжения к двигателю,  расположенному на поворотной платформе, производится посредством кольцевого токоприемника КТ надежно изолированного от корпуса экскаватора. Для питания двигателей экскаваторов малой мощности используется напряжение переменного тока  380В .

      В настоящее время ведутся разработки экскаваторов малой мощности с индивидуальным приводом на постоянном токе по системе генератор–двигатель и с тиристорным управлением, а также с дросселями в цепи статора и ротора, двигателя на переменном токе.

      Для привода рабочих механизмов экскаваторов средней мощности находят применение следующие системы:

Рис.4 Схема электрооборудования   экскаватора малой мощности 

1. переменного тока с асинхронным двигателем с  фазным ротором;
2. постоянного тока по системе генератор — двигатель с трехобмоточным генератором, управляемым от магнитных усилителей;
3. постоянного тока с тиристорным преобразователем.

  В современных экскаваторах на переменном токе используются специальные двигатели  с ограниченным максимальным моментом (М_макс=1,7М_ном) или включение в цепь статора двигателя дросселей насыщения обеспечивающих ограничение момента двигателя.

  Опыт  эксплуатации электропривода экскаваторов с асинхронными двигателями показал, что при релейно-контакторном управлении двигатели не обеспечивают высокой производительности машин и дают повышенный процент выхода из строя канатов.

      Характерным примером применения системы трехобмоточный генератор– двигатель (ТГ-Д) служит экскаватор средней мощности типа СЭ-3 и модернизированные на его базе экскаваторы ЭКГ-4 и ЭШ-5/45.

      Основное  электрооборудование экскаватора состоит из гонного двигателя,

генераторов и двигателей подъема, напора и поворота. Механизмы хода и открывания днища ковша имеют отдельные двигатели. Экскаватор имеет два кольцевых токоприемника. Токоприемник высокого напряжения КТ укреплен на нижней платформе и подает питание тонному двигателю. Токоприемник низкого напряжения служит для подвода питания к установкам, расположенным на нижней раме. К вспомогательному оборудованию относятся масляные насосы для подачи смазки и приводы вентиляторов принудительной вентиляции двигателей подъема и напора.

      Принципиальная схема управления электроприводом механизма подъема представлена на рис. 5. Обмотка самовозбуждения генератора СОВ включена через сопротивление 2СД на якорь генератора ГП, независимая обмотка НОВ, разделенная на две секции, получает питание от магнитного усилителя. В схему включены балластные сопротивления 1СБ и 2СБ. Максимальное реле РТМ подключено на дополнительные полюса двигателя и генератора подъема. В цепи обмотки возбуждения двигателя находится добавочное сопротивление ЗСД, зашунтированное нормально закрытым контактом контактора П (поля двигателя). Ослабление потока двигателя производится при опускании ковша, что позволяет получить повышенную скорость опускания ковша.

Задающая  обмотка магнитного усилителя УМС4 включена через добавочное сопротивление 4СУ на делитель напряжения ЗСУ. Изменение направления и величины тока в задающей обмотке производится контактами командоконтроллера,    выключающего     ступени  сопротивления 4СУ.  Командоконтроллер имеет четыре положения подъема и четыре спуска.

      Экскаваторные   характеристики   обеспечиваются   применением задержанной   обратной    связи   по   току.    Обмотка    УМСЗ включена последовательно с германиевым выпрямителем 1ВГ и низкоомным делителем напряжения 1СУ на падение напряжения в обмотках дополнительных полюсов генератора и двигателя. Делитель напряжения 1СУ является источником сравнения и питается от вторичной обмотки специального трехфазного четырехобмоточного трансформатора через германиевые выпрямители. Остальные обмотки трансформатора подключены к источникам сравнения схем механизмов поворота и напора. Ток в обмотке УМС3 появляется при условии, что падение напряжения на дополнительных полюсах машин станет больше запирающего потенциала на сопротивлении 1СУ.    

Рис. 5. Принципиальная схема управления электроприводом механизма подъема экскаватора средней мощности с магнитными усилителями. 

      Величина  запирающего потенциала соответствует началу действий отсечки по току главной цепи. Направление тока в обмотке управления усилителя соответствует размагничиванию генератора. Для увеличения быстродействия   электропривода   и  создания более   жесткой, характеристики   в   схеме используется        обмотка жесткой обратной связи УМС5 по напряжению генератора. Эта обмотка   включена   через дополнительное сопротивление 5СД к делителю       напряжения 2СД,     связанному     с напряжением     генератора. Магнитодействующая сила обмотки направлена встречно м.д.с. задающей обмотки.

      Стабилизация  работы системы электропривода  в  переходных режимах осуществляются гибкой обратной связью по току якоря (обмотка УМС6). Обмотка УМС6 подключена на специальную стабилизирующую обмотку, расположенную на дополнительных полюсах генератора ДПГ. Сигнал получаемый с обмотки, пропорционален скорости изменения тока   и  его величина регулируется   добавочным   сопротивлением   8СУ.   Использование гибкой связи по току главной цепи позволяет  затягивать процессы нарастания и спадания тока и обеспечить плавный пуск и торможения двигателя.

Отключение системы  управления при  длительных остановках производится выключателем ВМ. При этом срабатывает тормозной механизм (отключается катушка ЭТ), и обмотка обратной связи по току УМС3 через сопротивление 4СД присоединяется к дополнительным полюсам машин. Такое включение позволяет уменьшать величину остаточной э.д.с. генератора при появлении тока в главной цепи. Так как в этом случае токовая обмотка работает без отсечки.

      В последние годы ведутся работы по дальнейшему улучшению статических  и динамических характеристик систем, имеющих магнитное управление, и внедрению в схемы электропривода полупроводниковых устройств. Все более широкое распространение получает тиристорное управление двигателями. На опытном образце экскаватора типа Э-2503 для питания двигателей механизмов напора и поворота применяются тиристорные преобразователи, позволяющие улучшить динамические характеристики системы.