Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнические комплексы и системы

Диссертационная работа:

Карякин Александр Ливиевич. Режимы работы, оптимизация и управление электромеханическими комплексами главных приводов одноковшовых экскаваторов : диссертация ... доктора технических наук : 05.09.03 / Ур. гос. техн. ун-т.- Екатеринбург, 2005.- 276 с.: ил. РГБ ОД, 71 07-5/569

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 6

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕЖИМОВ

НАГРУЖЕНИЯ И РАСЧЕТА ГЛАВНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

ЭКСКАВАТОРОВ - ДРАГЛАЙНОВ

1.1 Учет условий эксплуатации и особенностей взаимосвязанной системы главных приводов в расчетах электромеханических систем драглайнов 16

1.2 Выбор мощности и параметров главных приводов для заданных горно-технологических условий эксплуатации 30

1.3 Оптимизация режимов работы и параметров главных электроприводов 40

1.4 Исследование качества функционирования электромеханических комплексов одноковшовых экскаваторов в реальных условиях эксплуатации 47

1.5 Цели и задачи работы 50

2 МЕТОДИКА РАСЧЕТА МОЩНОСТИ ГЛАВНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДРАГЛАЙНА ДЛЯ КОНКРЕТНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

2.1 Постановка задачи и обоснование структуры имитационной модели 52

2.2 Параметры расчетных схем отработки забоя и образования отвала 58

2.3 Длительность рабочего цикла экскаватора 68

2.4 Выводы 73

3. МЕТОДИКА АНАЛИТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

3.1 Постановка задачи 74

3.2 Оценка погрешности моделей для расчета момента на валу электродвигателя в переходных режимах работы в задаче определения эквивалентного тока 75

3.3 Расчет момента на валу электродвигателя в переходных режимах работы 80

3.4 Выводы

4. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ГЛАВНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И ЭКВИВАЛЕНТНОГО МОМЕНТА ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ КОНКРЕТНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

4.1 Расчет эквивалентной мощности электроприводов подъема и тяги 91

4.2. Расчет эквивалентной мощности электропривода поворота 96

4.3 Алгоритм имитации на ЭВМ работы драглайна в заданных горнотехнологических условиях 98

4.4 Управление динамической моделью взаимосвязанных электромеханических систем одноковшовых экскаваторов 104

4.5 Выводы 106

5. ОПТИМИЗАЦИЯ УСТАНОВЛЕННОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ЭКСКАВАТОРОВ-ДРАГЛАЙНОВ

5.1 Постановка задачи выбора оптимальных параметров электроприводов 108

5.2 Алгоритм проверочного расчета электрических машин методом средних потерь 111

5.3 Анализ результатов энергетического расчета электроприводов драглайна методами средних потерь и эквивалентного тока 116

5.4 Условия выбора оптимальных значений мощности и параметров главных электроприводов драглайна 120

5.5 Методика расчета оптимальных параметров электромеханических систем драглайна 122

5.6 Оптимальные кинематические параметры привода поворота,

обеспечивающие минимум эквивалентного момента на оси центральной цапфы за период рабочего цикла экскаватора 126

5.7 Выводы 129

6 ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГЛАВНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ЭКСКАВАТОРА-ДРАГЛАЙНА

6.1 Постановка задачи 132

6.2 Оптимальное по быстродействию управление электроприводом поворота драглайна 135

6.3 Постановка задачи определения оптимальной по критерию минимума энергетических затрат траектории подъема ковша 151

6.4 Метод и алгоритм численного решения задачи оптимизации транспортной операции 156

6.5 Выводы 164

7. РАСПОЗНАВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОДНОКОВШОВЫХ ЭКСКАВАТОРОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СВОЙСТВ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ГЛАВНЫХ ПРИВОДОВ

7.1 Постановка задачи 167

7.2 Распознавание на основе алгоритма вычисления оценок 170

7.3 Оптимизация параметров алгоритма вычисления оценок 172

7.4 Оценка дисперсии методом главных компонент 179

7.5 Оценка параметров функций распределения выходных координат электромеханических систем экскаватора-драглайна 181

7.6 Метод распознавания на основе теории информации 188

7.7 Выводы 191

8. ИЗМЕРЕНИЕ НАГРУЗОК В РАБОЧЕМ ОБОРУДОВАНИИ ЭКСКАВАТОРА

8.1 Постановка задачи 194

8.2 Измерение статических нагрузок электропривода в переходных режимах работы 194

8.3 Расчетные схемы рабочего оборудования экскаватора с реечным напорным механизмом 199

8.4 Расчет координатных коэффициентов 209

8.5 Выводы 212

9. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ГЛАВНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ ДРАГЛАЙНОВ

9.1 Расчет электромеханических систем драглайнов 214

9.2. Исследование и оптимизация рабочих режимов главных электроприводов драглайна ЭШ 20.90 232

9.3 Оценка влияния интервала дискретизации по времени на погрешность измерения энергетических параметров электромеханических систем экскаваторов 234

9.4 Распознавание технологических состояний и рабочего цикла одноковшовых экскаваторов и измерение силы тяжести горной массы в ковше экскаватора 238

9.5 Выводы 247

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 251

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 257

ПРИЛОЖЕНИЯ 275 

Введение к работе:

По данным Международного института угля [181], эквивалентные запасы угля в пересчете на нефть превышают запасы нефти в 3-Ю 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 ВНРШэлектропривод, 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 ем-кость 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 - отвал -экскаватор». 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 электроприводов; взаимное влияние выходных координат ЭМС главных приводов на процесс транспортирования горной массы, проявляющееся в наличии лимитирующего привода; зависимость нагрузок в главных приводах от положения ковша относительно стрелы экскаватора; необходимость априорного выбора параметров ЭМС в начальной стадии проектирования; сложность 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 мощ 15 ных 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. 

Подобные работы
Фурсов Евгений Анатольевич
Оптимизация режимов работы шагового электромагнитного привода кластеров атомного реактора
Голубовский Александр Владимирович
Оптимизация режимов работы синхронных двигателей в узлах нагрузки систем электроснабжения компрессорных станций магистральных газопроводов
Лядов Юрий Сергеевич
Оптимизация режимов работы группы источников реактивной мощности промышленного предприятия
Табачникова, Татьяна Владимировна
Оптимизация режимов работы электротехнического комплекса предприятий нефтегазодобывающей промышленности
Семисалов Виталий Вениаминович
Разработка математической модели для исследования динамических режимов работы шагового электропривода с трехфазным инвертором напряжения
Селепина Роман Александрович
Улучшение режимов работы синхронных электроприводов буровых установок и их показателей
Тумаева Елена Викторовна
Синхронный электропривод с оптимальными режимами работы
Рылов Юрий Анатольевич
Расчет режимов работы систем электроснабжения и определение долевого вклада потребителей в показатели качества электроэнергии при наличии несинусоидальных нагрузок
Черняховский Роман Леонидович
Адаптация режимов работы электромеханических комплексов шахтного водоотлива к графикам энергосистемы в условиях переменных водопритоков
Пеховский Владимир Станиславович
Исследование режимов работы самовозбуждающихся синхронных генераторов гребной электрической установки неизменного тока

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net