книги / Электрооборудование одноковшовых экскаваторов

Наконец, квадрант IV соответствует режиму работы двигателя при спуске груза с торможением. Здесь дви­ гатель вращается под действием момента нагрузки Мс с установившейся частотой вращения % ст,с (точка И). Электродвигатель развивает тормозной момент (участок ЗИ), удерживая груз и тем препятствуя возрастанию его скорости до скорости свободного падения.

Для торможения и остановки системы двигатель— рабочий механизм увеличивают тормозной момент дви­ гателя, и динамическая характеристика имеет вид ло­ маной линии ИИ'КАО.

При реверсировании электродвигателя, например, с режима подъема груза сразу (без паузы) на спуск динамическая характеристика представляется ломаной линией ВУГДЕЖЗЦИ. Очевидно, что в процессе ревер­ сирования двигатель дважды пребывает в двигательном

итормозном режимах.

Вслучае реверсирования при значительном статиче­ ском тормозном моменте на валу механизма динамиче­ ская характеристика принимает вид В'ВУФЦИИ'. В этом

случае двигатель из двигательного режима сразу же пе­ реходит в тормозной.

Реверсирование может быть осуществлено также с режима спуска на подъем груза..

Ит^к, в связи с изменением с каждым циклом мо­ ментов и частот вращения двигателя главных механиз­ мов экскаватора его механическую характеристику при­ нято изображать в системе координат на плоскости, где I и III квадранты означают двигательный режим рабо­ ты двигателя, а II и IV квадранты — генераторный.

Механическая характеристика (рис. 1-2,е) названа идеализированной, потому что она не отражает электро^ магнитные переходные процессы, происходящие в элек­ троприводе, и Механические свойства реальных электро­ двигателей.

На рис. 1-2,д для . сравнения, приведены в системе координат п—МдПхарактеристики установившегося (ста­ тического) режима реального привода постоянного тока подъемного механизма драглайна (кривые abc, efq), а также динамические характеристики (кривые 1—9). Режимы работы этого электропривода не требуют осо­ бых пояснений, они аналогичны описанным выше. Здесь статические моменты при подъеме и спуске Мс,п и Afc,с не совпадают по величине, так как МС(П определяется

21

в основном нагрузкой, создаваемой массой ковша с грун­ том, а Мс.с — в основном массой порожнего ковша. Кро­ ме того, механическая статическая характеристика ре­ ального электродвигателя (кривая аЬс) имеет неболь­ шой угол наклона к оси абсцисс (до точки 6), а затем значительный (Ъс). Это означает, что с изменением на­ грузки на валу электродвигателя автоматически изменя­ ется и установившаяся частота вращения, а при чрез­ мерном увеличении момента нагрузки частота вращения резко уменьшается до нуля (точка с). Такая форма ме­ ханической характеристики определяется требованиями специфики работы экскаватора и подробно излагается в § 1-5.

1-5. ЭКСКАВАТОРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ

Режимы работы основных рабочих механизмов экс­ каватора; как это было видно из рассматриваемого вы­ ше процесса экскавации и нагрузочных диаграмм, ха­ рактеризуются большим числом включений в течение цикла, резкими изменениями нагрузки, частым реверси­ рованием и механическими толчками. При продолжи­ тельности одного рабочего цикла от 18 до 29 с число включений основных механизмов в час доходит до 500 и более. Поэтому экскаваторный привод должен иметь легкое и плавное управление; развивать большой пуско­ вой момент, обладать повышенной перегрузочной спо­ собностью, иметь широкий диапазон регулирования ча­ стоты вращения и быть реверсивным.

Важнейшей особенностью работы электроприводов экскаваторных механизмов, участвующих в процессе ко­ пания, является сильно меняющаяся во времени стати­ ческая нагр'узка, которая может достигать очень боль­ ших значений. Возникающие перегрузки механизмов при благоприятных условиях своевременно устраняются ма­ шинистом путем уменьшения толщины снимаемой струж­ ки. Однако при неожиданной встрече ковша с непреодо­ лимым препятствием (крупный валун в относительно мягком грунте, невзорванная скала и т. д.) или при чрез­ мерном заглублении ковша создаются условия для воз­ никновения недопустимых нагрузок, способных, с одной стороны, вызвать поломки рабочих механизмов экскава­ торов, а с другой привести к опасным режимам для электрооборудования и даже выходу его из строя.

22

Кроме того, при встрече ковша с таким препятствием происходит резкое замедление (стопорение) экскаватор­ ного механизма. При этом кинетическая энергия, накоп­ ленная к моменту стопорения во вращающихся частях системы электродвигатель — рабочий механизм, преоб­ разуется в потенциальную энергию упругих элементов конструкции и канатов, вызывая их упругую деформа­ цию, т: е. возникают в них значительные динамические нагрузки, толчки и удары. Чем больше частота враще­ ния двигателя, при которой стопорится рабочий меха­ низм, тем значительней нагрузки.

Такой режим работы аналогичен заклиниванию рабо­ чего механизма во время его работы и для большинства машин считается аварийным, но для копающих меха­ низмов одноковшовых экскаваторов в связи со своеоб­ разием технологических условий является нормальным и часто встречающимся режимом, который называют работой «на упор», или стопорным.

Стопорный режим работы механизма предъявляет специфическое требование к электродвигателю рабочего механизма экскаваторов. Для предотвращения поломки механизма эскаватора при статических перегрузках и резких стопорениях, вызывающих значительные динами­ ческие перегрузки, усилие на ковше, а следовательно, движущий момент на валу рабочего механизма и ток двигателя должны быть ограничены какой-то безопас­ ной величиной— предельным моментом Мст (рис. 1-2,д) или предельно допустимым током двигателя.

Если электропривод не будет отвечать этому основно­ му требованию, предъявляемому ко всем электроприво­ дам главных рабочих механизмов всех типов экскавато­ ров,'то в момент стопорения ковша вынужденно остано­ вившийся двигатель перейдет в режим короткого

Режим работы к. з. опасен для электродвигателя, электрической аппаратуры и питающей сети, а в приводе постоянного тока — для рабочего механизма, так как возникающий момент во много раз больше номинально­ го, что может вызвать поломку механизма. Поэтому не­ обходимо автоматически ограничивать до безопасного значения ток и момент двигателя при чрезмерном воз-

23

растаний нагрузки исходя из условий механической прочности конструкций и рабочего оборудования или до­ пустимой перегрузки двигателя.

С другой стороны, для сохранения наибольшей про­ изводительности экскаватора желательно, чтобы двига­ тель работал с постоянной наибольшей частотой вра­ щения до момента начала стопорения, т. е. до тех пор, пока нагрузка не возрастет до опасного предела.

Ограничение вращающего момента электропривода предельным моментом Мст обеспечивают в современных электрических одноковшовых экскаваторах двумя спосо­ бами.

Первый способ — м е х а н и ч е с к и й , когда при воз­ растании нагрузки свыше предельной двигатель отклю­ чается от рабочего механизма в результате проскальзы­ вания (расцепления) фрикциона или муфты предельного момента в кинематической передаче. При этом рабочий орган и жестко связанные с ним передачи вплоть до ве­ домой части “муфты резко останавливаются, а привод, у которого запасенная кинетическая энергия во вращаю­ щихся массах значительно больше кинетической энергии остановившейся части рабочего оборудования, продол­ жает работать и его кинетическая энергия не влияет на динамическую нагрузку рабочего оборудования. После устранения причины стопорения нагрузка на валу меха­ низма уменьшается. По достижении ею определенного значения (менее предельного) восстанавливается сцеп­ ление фрикциона или муфты с ведущим элементом пе­ редаточного механизма и рабочий орган вновь приво­ дится в движение. Механический способ ограничения момента используется на экскаваторах малой произво­ дительности (строительных типов Э-1251, Э-2001 .и др.)> так как у них передаваемые мощности невелики и поте­ ри в фрикционной передаче при проскальзывании не­ значительны. В качестве приводного электродвигателя на экскаваторах, где используется указанный способ, могут быть применены электродвигатели любого типа, с любой механической характеристикой. На строитель­ ных экскаваторах малой производительности для группо­ вого привода применяются асинхронные двигатели как наиболее простые по устройству (см. § 2-2).

Второй способ ограничения момента — э л е к т р и ч е ­ ский, когда при возрастании нагрузки свыше стопор­ ного значения производится автоматическое воздействие

24

на систему управления двигателем. Ранее на экс­ каваторах для этих целей использовались реле макси­ мального тока, настроенные на срабатывание при токе двигателя, соответствующем стопорному моменту. При этом значении тока двигателя -реле срабатывало и от­ ключало двигатель от сети. Из-за нестабильной работы реле и быстрого его износа и ряда других факторов на современных экскаваторах в качестве основного лредства ограничения момента они уже не применяются.

В настоящее время основным средством, ограничения момента электропривода главных механизмов*экскавато­ ров средней и большой производительности является 'использование привода с экскаваторной механической характеристикой. На рис. 1-2,д в виде кривой аа'Ь'с представлена так называемая идеальная экскаваторная механическая характеристика, состоящая из горизон­ тального прямолинейного участка аа'Ь' (рабочий уча­ сток) и вертикального (крутопадающего) участка Ь'с (нерабочий участок).

Электродвигатель с такой характеристикой удовлет­ воряет всем поставленным выше требованиям. Он ра­ ботает с номинальной частотой вращения до тех пор, пока нагрузка не возрастет до максимального момента, называемого стопорным моментом Мст. Когда же мо­ мент нагрузки возрастет еще больше, двигатель резко снижает частоту вращения и останавливается (Мдв= =Ммакс=Мст и я=0). Как характерная для экскаватор­ ного электропривода эта характеристика получила наи­ менование экскаваторной или саморазгружающейся.

Ее называют, иногда идеальной, так как она служит для сравнения механических характеристик реальных дви­ гателей, что показано на рис. 1-2Д

Для формирования экскаваторной характеристики используются хорошие регулировочные свойства элек­ тродвигателя постоянного тока в системе генератор — двигатель (Г—Д) с различными схемами возбуждения генераторов (кривая abc на рис. 1-2,д) и в системе ти­ ристорный преобразователь — двигатель (ТП—Д). Под­ робное описание этих систем электроприводов дано в гл. 5 и 6.

•От формы экскаваторной характеристики приводов экскаваторов на постоянном токе зависят его эксплуа­ тационные качества. Для сравнения и оценки различных характеристик пользуются коэффициентом заполнения

25

k3an, который представляет собой (рис. 1-2,д) отношение площади, заключенной между осями координат и рас­ сматриваемой характеристикой abc, к площади идеаль­ ной характеристики аа'Ь'с:

Очевидно, предельное значение <fc3an=l, но обычно оно составляет 0,7—0,9. С увеличением Лзап, т. е. с умень­ шением угла наклона участка ab кривой abc, увеличива­ ются жесткость характеристики и производительность экскаватора.

В отдельных случаях работа на характеристике с большим коэффициентом заполнения неудобна по тех­ нологическим условиям. Так, для привода подъемного механизма экскаватора с оборудованием лопатой при полужесткой или мягкой характеристике машинист по снижению скорости механизма определяет начало пере­ грузки и, уменьшая скорость напорного движения, успе­ вает своевременно уменьшить толщину стружки и избе­ жать стопорения.

Поэтому, налаживая приводы копающих механизмов (подъем и напор лопат, тяги драглайнов), выбирают

ОТНОСИТвЛЬНО НеВЫСОКИе «&зап (для подъема 0,85—0,9, для

напора 0,8—0,85).

1-6. УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И ПРОЦЕССЫ ПУСКА И ТОРМОЖЕНИЯ

Рассмотренные выше в § 1-3 случаи работы электро­ привода экскаватора-крана показывают, что характер движения привода определяется соотношением движу­ щего момента и момента сопротивления. Это позволяет записать в общем виде основное уравнение движения электропривода:

где МдВ— момент, развиваемый двигателем, Н*м; Мс— момент статической нагрузки, Н-м; Мдин— момент ди­ намической нагрузки, рассмотренный в § 1-3.

Отсюда

где / — момент инерции вращающихся частей привода, характеризующий ее инерционность, Н-м*с2; е — угловое

2<з

ускорение вала двигателя, рад/с2; © — угловая скорость вала двигателя, рад/с; t — время, с.

Уравнение (1-2) может быть преобразовано путем замены / и ю их значениями. Момент инерции зависит от размеров и массы вращающихся частей:,

где т— масса, кг; G— вес тела (сила тяжести), Н; р— радиус инерции, м; п — частота вращения вала двигате­ лей, об/мин; g=9,81— ускорение силы тяжести, м/с2.

Произведение GD2=4gJ измеряется в Н*м2. Подставив (1-3) и (1-4) в уравнение (1-2), получим

основное уравнение движения электропривода в следую­ щем виде:

где Yt— ускорение.

Уравнение движения электропривода (1-5) справедливо

dti

для любого режима его работы. При Л4ДП=Л4С, -^ -= 0

имеет место равномерное движение (установившийся режим работы). Если движущий момент двигателя больше

момента нагрузки 0, 0, то частота враще­

ния возрастает, например, при пуске привода. При Мдии<^ 0, dtt 0 частота вращения уменьшается. Все

переменные величины, входящие в уравнение движения, следует рассматривать как алгебраические. Знаки мо­ ментов определяются из анализа свойств моментов. Определение знаков моментов может быть произведено согласно указаниям, сделанным в § 1-3.

Уравнение (1-5) справедливо при условии, что все элементы привода вращаются с одинаковой частотой. В экскаваторах двигатель соединяется с рабочим меха­ низмом через редуктор, и поэтому частоты вращения отдельных элементов не будут равными. Поэтому для

27

упрощения расчетов действительную механическую си­ стему заменяют простейшей системой с одним вращаю­ щимся или поступательно движущимся элементом. Та­ кая замена производится на основании приведения всех* моментов и сил к одной частоте вращения, обычно к ча­ стоте вращения двигателя.

При этом принимают полезную мощность на валу двигателя равной мощности на любой оси, учитывая потери в промежуточных передачах. Для примера (рис. 1-1,д) это можно записать:

где Мс,б— статический момент сопротивления на валу барабана подъемной лебедки; Мс,пр — статический момент сопротивления ме­ ханизма, приведенный к валу электродвигателя; ©б — угловая ско­ рость вала механизма (барабана); ©дв — угловая скорость вала электродвигателя; tin — к. п. д. передачи.

Отсюда определяется приведенное значение статического мо­ мента, которое и подставляется в (1-5):

Формула (1-7) справедлива для двигательного режима, когда потери в передачах покрываются за счет мощности электродвига­ теля. В тормозном режиме потери покрываются энергией, посту­ пающей от рабочего механизма, и от двигателя требуется меньший, чем Мс, тормозной момент. Следовательно, в тормозном режиме

образователем скорости., но одновременно и преобразователем мо­ мента.

В основу п р и в е д е н и я м о м е н т а и н е р ц и и положен принцип равенства значений суммарного запаса кинетической энер­

28

Отсюда

которые и подставляются в (1-5).

Уравнение движения (1-5) позволяет решать две основные задачи электропривода. Первая задача заклю­ чается в определении нагрузочной диаграммы двигате­ ля, т. е. необходимого момента Мдв, как об этом отме­ чалось в § 1-3, при известной нагрузке привода Мс и требуемом характере движения,, задаваемом ускорением dnfdt. В. этом случае известен динамический момент

Мрт= J-ц- и требуемый момент двигателя может быть

найден из выражения (1-5). Вторая задача — определе­ ние характера движения привода при известном значе­ нии сил сопротивления, т. е. заданных значениях Мс и МдВ. В этом случае из (1-5) находят ускорение привода dn/dt, т. е. устанавливают режим работы привода: уско­ ренное, замедленное или равномерное, а также опреде­ ляют продолжительность переходных процессов пуска и торможения. Для этого, разделяя переменные в (1-5), получаем:

nt

Для решения интеграла нужно знать зависимость Мдв и Мс от частоты вращения.

Если принять постоянным момент механизма Мс и пусковой момент двигателя Мдй=М п=М с+М ДШ1, как это

29-

время торможения от полной частоты вращения до остановки (при электрическом торможении)

(1-17)

Из уравнений (1-16) и (1-17) видно, что время уско­ рения и замедления зависит от маховых моментов систе­ мы и ускоряющего и замедляющего моментов. Умень­ шая массу движущихся частей системы и увеличивая динамический момент, приложенный к системе,- можно уменьшить время пуска и остановки, а следовательно, увеличить производительность экскаватора.

Вместе с тем процессы пуска и остановки для некото­ рых механизмов экскаватора должны протекать плавно с ограниченным ускорением. Особенно это относится к механизму поворота драглайна и лопаты, так как по­ воротная часть их обладает значительными массами, в не­ сколько раз превышающими маховые массы двигателя (в 5— 10 раз у экскаваторов-лопат и в 15—20 раз у драглайнов). Кроме того,,между поворотной шестер­ ней 5 (рис. 1-1,6) и зубчатым венцом 10 базы могут иметь место значительные зазоры. Поэтому во избежа­ ние резких ударов в передачах также необходим плав­ ный разгон.

Требование ограничения ускорения относится й к на­ порному механизму прямой лопаты с реечным напором из-за наличия зазоров в жестком сочленении рукояти со стрелой (рис. 1-1,а).

Таким образом, характер протекания переходного процесса и его длительность оказывают большое влия­ ние на производительность и надёжность работы маши­ ны. В экскаваторах с приводом переменного тока, где главный двигатель работает длительно и с почти по­ стоянной частотой вращения, анализ этих режимов не требует особого внимания, как в экскаваторах с приво­ дом постоянного тока, где двигатели главных механиз­ мов работают главным образом в переходных режимах.

Рассмотрим для последних влияние формы механи­ ческой экскаваторной характеристики на длительность

30