Режимы работы, оптимизация и управление электромеханическими комплексами главных приводов одноковшовых экскаваторов

По данным Международного института угля [181], эквивалентные запасы угля в пересчете на нефть превышают запасы нефти в 3−10 раз для стран Центральной и Северной Африки, Европы, России и Азии. Это ставит уголь как источник энергии на первое место для тех стран, которые заботятся о своей экономической безопасности.

Увеличение добычи угля в России будет достигнуто в результате ввода в действие новых горных предприятий и роста производительности труда на действующих. Можно отметить, что после продолжительного спада в добыче полезных ископаемых в стране, наступил период стабилизации и роста добычи, связанный с эффективной эксплуатацией существующих месторождений и строительством новых горно-добывающих предприятий.

Президентом России поставлена задача удвоения внутреннего валового продукта.

Одним из основных путей решения важной народнохозяйственной задачи удвоения ВВП является рост эффективности добывающих отраслей промышленности, в том числе путем создания новых и совершенствования серийно выпускаемых карьерных экскаваторов и шагающих драглайнов.

Новые экскаваторы производят на предприятиях отечественного машиностроения АО «ОМЗ — Объединенные машиностроительные заводы» (в городах Екатеринбурге и Санкт-Петербурге).

Высокий уровень советского экскаваторостроения подтвержден многолетней практикой эксплуатации карьерных экскаваторов ЭКГ-5А, ЭКГ-12, ЭКГ-20, драглайнов ЭШ 15.90А, ЭШ 20.90, ЭШ 40.85, ЭШ 65.100, ЭШ 100.100 производства ПО «Уралмаш» .

Успехи экскаваторостроения в России достигнуты благодаря работе производственных и научных коллективов Министерства промышленности, предприятий электротехнической и угольной промышленности, учебных заведений высшего профессионального образования. Исследования по, проблемам конструирования, производства, наладки и эксплуатации мощных шагающих экскаваторов выполнены и ведутся в коллективах производственных объединений «Уралмаш», «Электросила», заводов КЭМЗ, научно-исследовательских институтов ВНИИэлектропривод, ИГД им. Скочинского, высших учебных заведений МЭИ, МИСИ, МГИ, УГТУ-УПИ и других. Свой вклад в дело развития экскаваторостроения вносят ученые и специалисты Уральского государственного горного университета (УГГУ).

Ведущие ученые и производственники страны благодаря творческому отношению к делу, инициативе, выдающимся личным качествам обогатили наши знания в области процессов на открытых горных работах, теории и практики создания экскаваторов, их электропривода и систем управления. Среди них пользуются и пользовались заслуженным уважением Е. А. Винокурский, Ю. Я. Буль, Н. Г. Домбровский, О. А. Залесов, Ю. М. Ир-жак, Ю. Т. Калашников, В. И. Ключев, В. Р. Кубачек, 3. П. Ломакин, М. С. Ломакин, В. М. Мамкин, Н. В. Мельников, М. Б. Носырев, Б. В. Ольхови-ков, В. Н. Остриров, Л. Д. Певзнер, В. Д. Потапов, В. Л. Раскин, В. В. Ржевский, Б. И. Сатовский, В. Я. Ткаченко и др.

В части производства новых шагающих экскаваторов в России [117, 130] и других странах мира [5, 95] наблюдается тенденция к возрастанию единичной мощности карьерных экскаваторов и драглайнов, при этом емкость ковша достигает 100. 168 м .

При создании машин такого класса предъявляются повышенные требования к электроприводу рабочих механизмов и системам управления, в частности, такие как повышение энерговооруженности экскаватора, снижение удельных энергозатрат на экскавацию и транспортировку горной массы при сохранении заданных уровней производительности и динамических нагрузок в металлоконструкциях. Выполнение этих требований обеспечивается прежде всего на стадии проектирования электромеханических систем (ЭМС) драглайна.

Стадия проектирования важна не только для новых экскаваторов. Парк экскаваторов требует обновления. Можно считать сложившейся практикой, когда горные предприятия, с целью продления срока эксплуатации экскаватора и с учетом большого ресурса металлоконструкций и механического оборудования, идут по пути замены физически и морально устаревшего электропривода главных механизмов новым. При этом замене подлежат электродвигатели, преобразовательные агрегаты и системы управления.

Такое техническое перевооружение требует детальной проектной подготовки, связанной, в том числе, с выбором электрических машин главных приводов экскаваторов. Выбор электродвигателей определяется условиями эксплуатации экскаватора.

Опыт ведущих мировых фирм свидетельствует, что побеждает в тендерах на поставку экскаваторов тот производитель, кто предлагает машину, спроектированную под конкретную технологию разработки месторождения, причем проект разработки входит в комплект поставки экскаватора. Таким образом, качество проектирования является первым в ряду наиболее важных факторов с точки зрения эффективности экскаватора как составной части горно-добывающего предприятия.

Поэтому также актуальны задачи совершенствования методов расчета основных конструктивных и наладочных параметров ЭМС и оптимизации технологических схем экскавации.

Второй фактор, который в большой степени определяет эффективность работы экскаватора — это качество управления электротехническими комплексами (ЭТК) главных приводов. Проблема управления имеет три составляющие: автоматическое регулирование выходных координат ЭМС, синтез оптимального управления взаимосвязанными ЭМС главных приводов, реализация принципа управления с обратной связью между машинистом и технологическим процессом экскаватора в системе «забой — отвалэкскаватор».

Задача автоматического регулирования выходных координат ЭМС в данной работе не рассматривается ввиду того, что она носит подчиненный характер по отношению к главной идее работы — исследованию главных электроприводов одноковшовых экскаваторов как части системы «забой — отвал — экскаватор».

Поэтому наибольшее внимание уделено исследованию электроприводов с позиций использования результатов работы, в том числе алгоритмов оптимального управления, в современных системах управления и информационно-измерительных системах контроля показателей работы экскаваторов.

Полученные результаты явились основой для разработки методов идентификации технологических режимов работы одноковшовых экскаваторов, без которых невозможно построение систем управления электроприводами главных механизмов и контроля показателей работы экскаватора.

Трудности решения перечисленных выше задач проектирования и управления определяют прежде всего многообразие технологических схем экскавации и связанные с этим сложности выбора расчетных нагрузочных диаграмм электроприводоввзаимное влияние выходных координат ЭМС главных приводов на процесс транспортирования горной массы, проявляющееся в наличии лимитирующего приводазависимость нагрузок в главных приводах от положения ковша относительно стрелы экскаваторанеобходимость априорного выбора параметров ЭМС в начальной стадии проектированиясложность протекающих в системах экскаватора электромагнитных и механических переходных процессов, наличие статистической взаимосвязи между выходными координатами ЭМС.

Главным, на наш взгляд, недостатком предложенных и используемых в настоящее время методов расчета ЭМС является то, что их выполняют для заданного, так называемого расчетного рабочего цикла экскаватора. Вопросы оптимизации параметров ЭМС драглайна решаются с использованием современных ЭВМ и сложных математических методов выбора параметров. Однако получаемые результаты оптимальны только для вполне определенного, принятого в расчете рабочего цикла.

Целью диссертационной работы является разработка методов выбора оптимальных значений параметров, законов управления и методов контроля работы электромеханических комплексов главных электроприводов экскаваторов, приводящих к повышению эффективности работы этих машин в заданных горно-технологических условиях эксплуатации.

Идея работы: повышение эффективности эксплуатации одноковшовых экскаваторов путем оптимизации кинематических и конструктивных параметров электромеханических комплексов главных приводов, оптимального управления и контроля работы главных электроприводов для заданных горно-технологических условий эксплуатации.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1) выбор и обоснование системы допущений для имитационного моделирования работы экскаватора в процессе выемки породы в забое заданного объема и конфигурации;

2) разработка формализованного математического описания технологической системы «забой-отвал-экскаватор» и алгоритмов имитации на ЭВМ работы экскаватора в заданных горно-технологических условиях;

3) выбор и обоснование критериев оптимальности в задаче оптимизации параметров ЭМС;

4) разработка инженерных методов расчета оптимальных в данных горнотехнологических условиях параметров главных электроприводов драглайна;

5) синтез оптимальных управлений электромеханическими системами драглайна;

6) создания методов и способов измерения показателей работы экскаваторов, в том числе методов распознавания технологических режимов работы ЭМС экскаватора как горно-добывающей машины, способа измерения статического тока электропривода, описания геометрии рабочего оборудования для измерения массы грунта в ковше экскаватора.

Сложность поставленных задач, необходимость учета большого числа факторов, характеризующих экскаватор как большую систему, трудности, связанные с проведением исследований на реальном объекте определили выбор основного метода, используемого в диссертации — метода имитационного моделирования с применением ЭВМ. Имитационная модель позволяет получить важную и безусловно необходимую информацию о работе драглайна, однако решение задач оптимизации параметров ЭМС и синтеза оптимальных управлений требует применения точных аналитических и численных методов.

Достоверность основных результатов проверена в ходе экспериментов на имитационных моделях и на действующих экскаваторах, подтверждена промышленной эксплуатацией экскаваторов, проектирование которых выполнено с использованием разработанных методов, подтверждена опытом эксплуатации информационно-измерительных систем контроля показателей работы экскаваторов.

Автор защищает:

1) установленные закономерности между кинематическими и конструктивными параметрами электромеханического комплекса привода поворота, оптимальные по критерию минимума эффективного момента электродвигателя за период рабочего цикла;

2) способ измерения статического тока электропривода, обеспечивающий повышенную точность измерения в переходных режимах работы электропривода;

3) метод и результаты синтеза в классе кусочно-непрерывных функций оптимального по быстродействию управления приводом поворота, представленного системой линейных дифференциальных уравнений третьего порядка;

4) методику выбора оптимальных значений параметров, законов управления и методы контроля показателей работы электромеханических комплексов одноковшовых экскаваторов, приводящих к повышению эффективности работы этих машин в заданных горно-технологических условиях эксплуатации;

5) математическую модель системы «забой-отвал-экскаватор» и алгоритмы моделирования работы экскаватора в заданных горнотехнологических условиях;

6) алгоритм проверочного расчета электрических машин методом средних потерь и инженерную методику расчета температуры электрических машин главных приводов;

7) методику и алгоритмы расчета оптимальной по критерию минимума потерь энергии траектории подъема ковша драглайна;

7) метод распознавания технологических режимов работы ЭМС главных приводов и экскаватора как горно-добывающей машины с использованием алгоритма вычисления оценок и процедуру оптимизации параметров алгоритма;

8) метод распознавания технологических режимов работы ЭМС главных приводов и экскаватора как горно-добывающей машины, основанный на теории информации;

9) методику расчета статического усилия в приводе подъема ковша экскаватора, учитывающую изменение положения точки схода подъемного каната с головного блока и изменение положения точки касания рукояти и кремальерной шестерни.

Научная новизна полученных автором результатов заключается в следующем:

1) установлены закономерности между кинематическими и конструктивными параметрами электромеханического комплекса привода поворота, оптимальные по критерию минимума эффективного момента электродвигателя за период рабочего цикла;

2) предложен новый способ измерения статического тока электропривода, обеспечивающий повышенную точность измерения в переходных режимах работы электропривода;

3) разработаны метод и алгоритмы синтеза в классе кусочно-непрерывных функций оптимального по быстродействию управления электромеханическим комплексом, представленным системой линейных дифференциальных уравнений третьего порядка;

4) разработан метод распознавания технологических режимов работы ЭМС главных приводов и экскаватора как горно-добывающей машины, основанный на теории информации;

5) определена процедура оптимизации параметров алгоритма вычисления оценок в задаче распознавания технологических состояний одноковшовых экскаваторов;

6) разработана методика расчета и найдены распределения относительной частоты появления значений интегральных оценок, характеризующих энергетические свойства электроприводов, при работе экскаватора в заданных условиях эксплуатации;

7) разработаны методы расчета оптимальных параметров ЭМС на основе данных о распределении эффективных моментов двигателей;

8) по условию максимального соответствия экспериментальных и расчетных данных выявлены аналитические зависимости для расчета составляющих суммарных потерь в электрических машинах главных электроприводов драглайнов;

9) разработаны метод и алгоритм определения траектории подъема, обеспечивающие минимум потерь электрической энергии за период подъема ковша драглайна.

Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:

1) инженерная методика расчета оптимальных параметров ЭМС позволяет избежать многократного выполнения проверочного расчета электрических машин главных приводов и ускорить конструирование, а также выбрать наилучшие с учетом ограничений параметры электромеханической системы экскаватора для заданных горно-технологических условий;

2) методика оптимизации технологических схем ведения горных работ дает возможность определить наилучшую (обеспечивающую максимальную производительность) последовательность отработки забоя и отсыпки отвала;

3) метод распознавания технологических режимов работы ЭМС главных приводов и экскаватора как горно-добывающей машины, а также способ измерения статического тока электропривода позволяют создавать информационно-измерительные системы контроля текущих и интегральных показателей работы ЭМС главных приводов и экскаватора;

4) результаты синтеза оптимальных управлений, полученные по предлагаемым методикам, позволяют найти предельные режимы работы электромеханических систем экскаваторов;

5) установлен характер функциональной зависимости между коэффициентами загрузки электрических машин по эквивалентному току и тепловым потерям, выполнена оценка границ применения указанной зависимости.

Результаты исследований представлены в наглядной и удобной для практического использования форме, алгоритмы выбора оптимальных параметров доведены до уровня машинных программ.

Реализация результатов работы.

Изложенные в диссертационной работе методы, алгоритмы и программы расчета электромеханических систем и систем управления мощных шагающих экскаваторов выполнены в рамках договоров между Уральским государственным горным университетом (УГГУ) и ПО «Урал-маш» на создание научно-технической продукции, переданы отделу Главного конструктора по электроприводу и автоматизации НИИТяжмаш ПО «Уралмаш» и использованы при проектировании драглайнов ЭШ 20.90, ЭШ 65.100, ЭШ 100.120 и наладке систем управления головного образца драглайна ЭШ 20.90. Методика расчета параметров ЭМС для конкретных условий эксплуатации использована при проектировании электроприводов драглайна ЭШ 100.120.

Установленные в работе закономерности между кинематическими и конструктивными параметрами электромеханического комплекса привода поворота, оптимальные по критерию минимума эффективного момента электродвигателя за период рабочего цикла, использованы при выборе электрических машин экскаватора ЭШ 20.90.

Методы решения и алгоритмическое обеспечение задач идентификации технологических состояний одноковшового экскаватора и измерения массы грунта в ковше экскаватора выполнены в рамках договоров между УГГУ и АО «Уралмаш» на создание научно-технической продукции и использованы при разработке информационных систем драглайнов ЭШ 20.90, ЭШ 100.100, ЭШ 65.100, ЭШ 25.90 и карьерных экскаваторов ЭКГ-12, ЭКГ-5А.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Установлены закономерности между кинематическими и конструктивными параметрами электромеханического комплекса привода поворота, оптимальные по критерию минимума эквивалентного момента электродвигателя за период рабочего цикла. Оптимальность решения следует из того, что задача поставлена как вариационная с ограничениями и ее решение выполнено методом неопределенных множителей Лагранжа.

2. Предложен новый способ измерения статического тока электропривода, обеспечивающий повышенную точность измерения статического тока в переходных режимах работы электропривода (относительная погрешность составляет 1,99% и 12% для нового и известного способов соответственно). Способ позволяет исключить операцию дифференцирования для определения динамического тока и сформулировать правило, в соответствии с которым динамический ток электродвигателя определяют как величину, пропорциональную разности между напряжением питания электродвигателя и величиной, пропорциональной интегралу динамического тока электрического двигателя. Новизна способа подтверждена патентом.

3. В работе поставлена и решена задача синтеза оптимального по быстродействию управления электроприводом поворота драглайна. Решение выполнено путем редукции задачи оптимального управления к задаче минимизации нелинейной функции нескольких переменных, алгоритмы решения которой более эффективны по сравнению с алгоритмами решения двухточечной краевой задачи. Разработанные алгоритмы доведены до уровня рабочих программ для ЭВМ. Подтверждена работоспособность алгоритмов и программ. Результаты расчета показали существенное повышение точности решения при использовании метода оптимизации, использующего производную целевой функции.

4. Разработан метод распознавания технологических режимов работы ЭМС главных приводов и экскаватора как горно-добывающей машины, основанный на теории информации. Достоинством метода является инвариантность к статистическим характеристикам многомерного вектора измерений выходных координат электромеханических систем и связанных с этим проблем нестационарности и статистической взаимосвязи компонент вектора. Указанная инвариантность обусловлена переходом от непрерывного вектора к дискретному, что позволяет рассматривать его как дискретное сообщение с последующей оценкой информационных свойств сообщения, в частности, количества информации. Решающее правило состоит в выборе сообщения, имеющего максимальное количество информации в предположении, что вектор принадлежит к заданному классу. Вследствие того, что количество информации для достоверного сообщения величина положительная, предложенный метод устанавливает границу, при которой сообщение может рассматриваться как достоверное.

5. Показано, что для решения задачи распознавания технологических состояний одноковшовых экскаваторов также может быть применен метод на основе алгоритма вычисления оценок (ABO). Определена процедура оптимизации параметров алгоритма вычисления оценок в задаче распознавания. Предложена зависимость для расчета значений весовых коэффициентов алгоритма вычисления оценок.

6. Разработана методика определения относительной частоты появления значений интегральных оценок, характеризующих энергетические свойства электроприводов, при работе экскаватора в заданных условиях эксплуатации.

7. Разработаны методы расчета оптимальных для данных горнотехнологических условий эксплуатации параметров ЭМС на основе данных о распределении эквивалентных моментов двигателей. Оптимальность получаемых решений обеспечена выбором скорости перемещения ковша в пространстве из условия минимума среднеквадратичной ошибки отклонения расчетной производительности экскаватора от заданной при выполнении условия не превышения температуры перегрева двигателей допускаемого значения. Составной частью методики является расчет мощности электродвигателей главных электроприводов с учетом заданных условий эксплуатации, состоящий в имитационном моделировании всех возможных циклов работы экскаватора с одного места стояния. Результатом моделирования являются гистограммы мощности, затрачиваемой электродвигателями главных приводов в течение каждого из необходимых для отработки заданного элемента забоя рабочих циклов. Методика также основана на аналитическом расчете координат и параметров переходных режимов электропривода, в котором использовано полученное в диссертации выражение для ошибки регулирования тока цепи якоря.

8. По условию максимального соответствия экспериментальных и расчетных данных выявлены аналитические зависимости для расчета составляющих суммарных потерь в электрических машинах главных электроприводов драглайнов.

9. Разработан алгоритм энергетического расчета главных электроприводов экскаватора-драглайна по методу средних потерь. Определены зависимости, позволяющие наиболее точно вычислить потери в стали электрических машин. Анализ результатов расчетов коэффициента загрузки электрических машин методами эквивалентных величин и средних потерь для различных типов драглайнов показал, что указанные коэффициенты связаны квадратичной зависимостью. Погрешность зависимости составляет 9,3±5,9% на уровне 95% доверительного интервала. Это позволяет, зная значение коэффициента загрузки по эквивалентному току, произвести оценку тепловой загрузки электрических машин главных приводов.

10. Разработан метод и алгоритм определения траектории подъема, обеспечивающей минимум потерь электрической энергии за период подъема ковша драглайна. Для решения задачи использованы методы вариационного исчисления.

11. Предложены различные способы учета постоянной времени нагрева электрических машин при выполнении расчета мощности и параметров ЭМС. Первый является инженерным и основан на оценке значений эквивалентных усилий главных электроприводов за период времени, устанавливаемый техническими условиями на электрические машины (60 минут непрерывной работы экскаватора). Способ применен для выбора мощности, количества и типов электрических машин драглайна ЭШ 100.120. Второй использует полученную в работе зависимость между коэффициентами загрузки электрических машин по эквивалентному току и средним потерям, а также информацию об относительных эквивалентных усилиях, пропорциональных электромагнитному моменту электродвигателей главных приводов за период рабочего цикла, являющуюся результатом имитационного моделирования работы драглайна в забое.

12. Изложенные в диссертационной работе методы, алгоритмы и программы расчета электромеханических систем и систем управления мощных шагающих экскаваторов использованы при проектировании драглайнов ЭШ 20.90, ЭШ 65.100, ЭШ 100.120 и наладке систем управления головного образца драглайна ЭШ 20.90. Методика расчета параметров ЭМС для конкретных условий эксплуатации использована при проектировании электроприводов драглайна ЭШ 100.120. Установленные в работе закономерности между кинематическими и конструктивными параметрами электромеханического комплекса привода поворота, оптимальные по критерию минимума эквивалентного момента электродвигателя за период рабочего цикла, использованы при выборе электрических машин экскаватора ЭШ 20.90. Алгоритмическое обеспечение задач идентификации технологических состояний одноковшового экскаватора и измерения массы грунта в ковше экскаватора использованы при разработке информационных систем драглайнов ЭШ 20.90, ЭШ 100.100, ЭШ 65.100, ЭШ 25.90 и карьерных экскаваторов ЭКГ-12, ЭКГ-5А.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена актуальная научно-техническая проблема создания методов выбора оптимальных значений параметров, законов управления и методов контроля работы электромеханических комплексов главных электроприводов экскаваторов, приводящих к повышению эффективности работы этих машин в заданных горно-технологических условиях эксплуатации.

Актуальность проблемы обусловлена производством серийных карьерных экскаваторов и драглайнов, проектированием и изготовлением уникальных высокопроизводительных машин с ковшом емкостью более 40 м³, зависимостью режимов работы электромеханических комплексов главных приводов от горно-технологических условий эксплуатации.

Реально достижимые показатели работы экскаваторов в значительной мере определяются принятыми на стадии проектирования решениями, обоснование которых невозможно без детального исследования взаимодействия экскаватора и среды его эксплуатации.

В работе реализован системный принцип выбора электрических машин и основных конструктивных параметров главных электроприводов драглайнов для заданных горно-технологических условий эксплуатации. Результаты расчета ЭМС драглайна ЭШ 100.120 подтвердили целесообразность использования такого подхода к проектированию.

В работе использована новая постановка и получено решение задачи синтеза оптимальных управлений ЭМС привода поворота и взаимосвязанной системы приводов подъема и тяги экскаватора-драглайна.

Значительное внимание уделено проблеме исследования электромеханических систем экскаваторов в составе электропривода главных механизмов. Для возможности измерения интегральных показателей электротехнических комплексов за период рабочего цикла экскаватора разработаны и исследованы методы распознавания технологических состояний ЭМС и экскаватора как горной машины, предложен новый способ измерения статического тока электропривода в переходных режимах работы.

Достоверность полученных результатов исследований подтверждается применением точных математических методов и апробированных математических моделейв необходимых случаях выполнена оценка погрешности полученных результатов путем сравнения с экспериментальными данными. Промышленная эксплуатация экскаваторов, в частности ЭШ 20.90, и других, проектирование которых выполнено с использованием разработанных методов, опыт эксплуатации информационно-измерительных систем контроля показателей работы экскаваторов также свидетельствуют о высокой степени достоверности полученных в работе теоретических результатов.

Разработанные методы доведены до алгоритмов, на основании которых созданы программы для ЭВМ.

Основные теоретические положения подтверждены расчетами и использованы при проектировании шагающих экскаваторов, выпускаемых ПО «Уралмаш», а также при создании информационно-измерительных систем показателей работы одноковшовых экскаваторов.