Министерство угольной промышленности СССР Академия наук СССР Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Институт горного дела им. А. А. Скочинского

Утверждены заместителем директора института

Ю. Л. Худиным

М декабря 1983 г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ УГЛЕДОБЫВАЮЩИМИ МАШИНАМИ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ПРИВОДАМИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ РЕЗАНИЯ И МЕХАНИЗМОВ ПОДАЧИ

Москва

1985

. ²^опг

^Н‘Р——

- количество резцов в линии резания, = I...3.

3.2.4. ЕСЛИ Ур'фах расч ^ ^р. max доп f ^ ^A/t ~^Amin. ⁺    *

ДР^И ^р.тахрасч^> ^р. max доп Принимается Ур,так расч~ ^р.тах доп

с последующим перерасчетом V_{n тах расч} по приведенной выше формуле. Находят V_n. _ср, _ОТИ = V_ncp / У_{п тлх pCLC4} , а по графику К.сротн = f(^A/^Amax) (см.рис.4) значение А/А_тах .

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНОГО ОТНОШЕНИЯ дан РЕДУКТОРА РЕЗАНИЯ

4.1. Электродвигатель исполнительного органа резания выбирается по ГОСТу на ряды комбайновых электродвигателей с учетом условия Р_д$ > Р_д& _р и рациональных для конструкции УМ соотношений габаритных размеров двигателя и редуктора резания, так как при одинаковой мощности габаритные размеры двигателя растут с умень-

II

шением номинальной скорости, но при этом снижается значение передаточного отношения редуктора, что приводит к уменьшению габаритных размеров последнего •

4.2. Передаточное отношение редуктора резания рассчитывается по формуле

'р.н

где М_{р эк}£ - эквивалентный крутящий момент на валу исполнительного органа, Н*м;

п - число рассматриваемых участков в диапазоне {Amin*-/4max 1 изменения А • заданного его законом распределения по длине лавы;

/vj - среднее значение крутящего момента на£-м участке:

Г I»

^{+ М}р_ь так ^MPi ~    2    ’

М_{р т1п},м_{р тах}- минимальный и максимальный крутящие моменты, со-

* ответственно при минимальной А„1_Л- и максимальной А та*/ сопротивляемостях угля резанию на t-м рассматриваемом участке;

11    -    время действия момента M_pi на t-м участке;

М_р - номинальный крутящий момент принятого электродвигателя, Н*м;

К₁ - коэффициент, учитывающий изменение возможной тепловой нагрузки (момента) двигателя в зависимости от временных параметров режима работы привода: среднего значения продолжительности цикла и продолжительности включения ПВ%;

К₇ - коэффициент усиления нагрузки в двигателе по сравнению с нагрузками на исполнительном органе.

Значения коэффициента K_i для выбранного двигателя принимаются по результатам экспериментальных исследований, К₂ - по рекомендациям [2], а затем уточняются при математическом моделировании УМ на ЭВМ.

12

5* ФОРМИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УМ

5*1. Математические модели УМ формируются с целью оценки показателей, характеризующих статические и динамические режимы работы элементов привода и трансмиссии проектируемой УМ при вариации возмущающих воздействий и конструктивных параметров двигателей и элементов трансмиссии.

5.2.    Под статическими характеристиками, которые могут быть получены при математическом моделировании на ЭВМ, понимают:

коэффициенты динамичности передач "производственный механизм-ггриводной двигатель";

зависимость установившихся и максимальных значений якорных токов, упругих моментов трансмиссии, моментов на валах двигателей, угловых скоростей валов двигателей и производственных механизмов (исполнительных органов резания и механизмов подачи УМ), линейных скоростей перемещения УМ, толщин стружки, температур якорных обмоток и потребляемой мощности двигателей от сопротивляемости угля резанию, моментов инерции исполнительных органов, электромагнитных и электромеханических постоянных времени электродвигателей, жесткости кинематических передач, амплитуды напряжения на якорных обмотках приводных двигателей механизмов подачи и исполнительных органов резания.

Под динамическими характеристиками понимают: зависимости выходных координат машины, якорных токов, упругих и электродвижущих моментов, угловых и линейных скоростей, толщин стружки, температур якорных обмоток от времени при известном характере изменения возмущающих и управляющих воздействий -соответственно, сопротивляемости угля резанию и напряжений на якорных обмотках двигателей;

среднеквадратичные отклонения и математическое ожидание перечисленных выше координат при случайном характере изменения основного возмущения - сопротивляемости угля резанию.

5.3.    При математическом моделировании на ЭВМ предполагается, что УМ может работать при следующих эксплуатационных условиях:

спокойное залегание пластов, сопротивляемость угля резанию является случайным процессом с нормальным законом распределения;

имеются вкрапления твердых пород и горно-геологические нарушения, воспринимаемые УМ как экстренные возмущения. В этом случае А и связанные с ним интегральные оценки свойств системы

13

"угольный забой - УМ" описываются детерминированными (ступенчатыми, импульсными, гармоническими) функциями.

5.4.    В процесс формирования математических моделей УМ входят следующие процедуры:

принятие гипотез о характере изменения основного возмущения и взаимодействии УМ с забоем;

выбор механических и электромеханических расчетных схем УМ; выбор нелинейных математических соотношений, описывающих расчетные схемы УМ;

выбор упрощенных линеаризованных соотношений, описывающих расчетные схемы УМ;

построение программных аналогов математических моделей; расчет параметров математических моделей и их программных аналогов.

5.5.    Свойства угольного массива, разрушаемого УМ, описываются обобщенным показателем сопротивляемости угля разрушению M(A,t) [б]. Считаем возмохнши две гипотезы о взаимодействии УМ с забоем. В первой предполагается, что приведенный момент сил реза-ния М_ср (t) на валах приводных двигателей исполнительных органов резания и сопротивление подаче F_C1) (t) , приведенное к валу приводного двигателя механизма подачи, зависят от М(А, t) и толщины стружки h (t) [б]:

M_€._Pl (*) *    +    C, M (A* t)h(t),    (5.1)

M_e._Pz(t) = М_еР'„₂ + С_гМ (A,i) k. (t),    (5.2)

F_e,„(t) = F_e,_n^C₃M(A,t)k(t)+C^F_Tf>,    (5.3)

где м , M , F - составляющие момента сил резания и со-'^р' ¹    '^р' ²    *    ⁰ противления подаче (их значения не за

висят от толщины стружки);

С₁ , С₂ , С₃ , С_ч - эмпирические коэффициенты;

F - сила трения между опорными лыжами УМ ^р и скребковым конвейером.

Во второй гипотезе учитывается колебательный характер движения машины с помощью гармонических функций M_n{t) , F_n (t) , зависящих от угловой скорости исполнительных органов, т.е.:

^Mc._h(t) « М_с._P._0l⁺ С, M(A,t) h(t) M_n(t),    (5.4)

Mc.p_z(t) = M_ep._0i + C₂M(A,t)h(t)M_n(t),    (5.5)

^Fc.n (t) = F_c._n+C₃M(A,t)h(t)F_n(t) + CtF_Tp.    (5.6)

14

В первом приближении обобщенный показатель сопротивляемости угля разрушению M(A,t) прямо пропорционален сопротивляемости угля резанию А .

Обозначения физических величин формул (5.1).*,(5.6), а также используемые ниже в моделях УМ, приведены в табл. 3.

Примечание. К обозначениям параметров может добавляться индекс, указывающий тип производственного механизма. Например: С_ур^ - механическая постоянная двигателя первого исполнительного органа резания.

5.6. Расчетные электромеханические схемы УМ (рис. 5 и 6) с управляемыми электроприводами исполнительных органов резания и механизма подачи сформированы с учетом следующих допущений [3,4,6]:

в интервале времени перемещения УМ вдоль забоя статические характеристики разрушаемого пласта остаются в среднем неизменными;

влияние реакции якоря, вихревых токов и гистерезиса на электромеханические и тепловые процессы приводных двигателей исполнительных органов резания и механизма подачи можно не учитывать при анализе расчетных схем УМ;

значения индуктивностей обмоток якорей, дополнительных полюсов и компенсационных о Омоток приводных двигателей УМ могут быть приняты постоянными.

Расчетная схема приводного электродвигателя постоянного тока (см.рис.6) представляет собой схему двигателя смешанного возбуждения с дополнительной обмоткой независимого возбуждения. Это позволяет легко получить расчетные схемы двигателей с последовательным, независимым и смешанным возбуждениями, если в исходные математические модели УМ ввести масштабные коэффициенты, исключающие влияние отсутствующих обмоток возбуждения.

Расчетная двухмассная механическая схема типа "производственный механизм - приводной двигатель" (рис, 5,а ) в отличие от одномассной (рис. 5,0") позволяет учесть в моделях УМ жесткость кинематических передач, зазоры, упругие моменты, сухое и вязкое трение. Одномассные модели используются в том случае, когда параметры трансмиссий при дальнейших расчетах УМ остаются постоянными.

18

5.7. Под математической моделью УМ будем понимать совокупность аналитических, численных и графических соотношений, описывающих механические, электромеханические и тепловые процессы, происходящие в УМ при изменении возмущающих и управляющих воздействий.

о+ Щ -

1е

В табл.4 приводятся нелинейные уравнения, описывающие упомянутые процессы в УМ. Математические модели УМ на основе уравнений табл.4 формируются следующим образом.

5.7.1. В систему уравнений (1)...(47) шесто индекса С подставляется индекс Р₁ для привода первого исполнительного органа резания, индекс Р₂ - для второго и индекс п - для привода механизма подачи. В зависимости от типа приводного двигателя масштабные коэффициенты    ,    г$ двигателей постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения принимают значения х^ =    =    О,

%_г = I; для двигателей с последовательным (сериесным) возбуждением х_е = I,    = 0; а смешанного возбуждения x_t - х_е =

* ¹* ^%?ъ ⁹

19

Методические рекомендации по исследованию и проектированию систем автоматического управления угледобывающими машинами с регулируемыми приводами исполнительных органов резания и механизмов подачи разработаны отделом электропривода ИГЛ им.А.А.Скочинского совместно с кафедрой автоматизации производственных процессов Карагандинского политехнического института.

В них приведены алгоритмы расчета мощности электродвигателя исполнительного органа резания и выбопа передаточного отношения для редуктора резания, а также математические модели угледобывающих машин, элементов систем управления ими и программные средства, позволяющие решить задачи анализа динамических процессов, происходящих в конструктивных элементах машины, привода и системы управления.

Методические рекомендации разработали таж.Н.И.Пименов (ИГЛ им.А.А.Скочинского, разделы 1-4) и инж. Б.Н. Фешин (КарПТИ, разделы 5-8, приложения) под научным руководством канд.техн.наук Э.Г.Крауса.

Рекомендации предназначаются сотрудникам проектно-конструкторских и научно-исследовательских институтов, проектирующим угледобывающие механизированные комплексы и системы управления ими.

Институт горного дела им. А. А. Скочинского (ИГД им. А. А. Скочинского), 1985

В методических рекомендациях на основе принципов системного подхода к вопросам разработки объектов и систем управления ши предлагается итерационная процедура расчета конструктивных параметров, статических и динамических характеристик угледобывающих машин (УМ) с управляемыми приводами исполнительных органов резания и механизмов подачи.

Рекомендуется при проектировании УМ и системы управления ею осуществлять следующие этапы:

выбор основных параметров исполнительных органов резания [i]; выбор спектров эксплуатационной нагруженности трансмиссий

И;

расчет мощности электродвигателей постоянного тока для привода исполнительных органов УМ;

формирование математических моделей УМ;

имитационное моделирование УМ на ЭВМ при вариации конструктивных параметров машины и внешних возмущений;

анализ статических и динамических характеристик УМ, полученных в результате имитационного моделирования, и анализ моделей УМ как объектов управления;

формирование критериев качества, функциональных схем и математических моделей систем автоматического управления (САУ) УМ с фиксированной структурой управляющих устройств;

оптимизация и анализ конструктивных параметров, статических и динамических характеристик УМ и САУ УМ;

принятие решений о приемлемости параметров УМ или о необходимости их корректировки.

I. ОСНОШЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

I.I. Определение статических нагрузок привода УМ необходимо для выбора электродвигателей, проверки их по нагреву, расчета рационального передаточного отношения и надежностных параметров машины [3,4].В существующих руководящих материалах [5j даны рас-

3

четы УМ только с неуправляемыми электроприводами исполнительных органов резания. Однако к настоящему времени выполнено значительное количество работ [3, 4, 6, 7] по исследованию процессов формирования нагрузок на исполнительном органе резания УМ с управляемыми эле ктроприводами.

Результаты этих работ использованы при разработке методических рекомендаций по выбору параметров регулируемых электродвигателей УМ со шнековым исполнительным органом*

1.2. В рекомендациях при выборе проектировочного расчетного режима работы УМ исходим из условий обеспечения наибольшей производительности УМ и уменьшения удельных энергозатрат на отделение угля от массива исполнительным органом резания. При этом достигается лучшая сортность отбитого угля и минимальное пылеобразование . Теоретически выполнение исходного условия осуществимо при полном использовании установочной мощности электродвигателя резания [8] и постоянной оптимальной толщине стружки к_опт во всем диапазоне предполагаемых изменений статических нагрузок. Значение к_опт (табл.1) принимается в зависимости от мощности разрабатываемого пласта и конструктивных особенностей исполнительного органа резания [9].

Сопротивляемость угля резанию А, характеризующая способность углей противостоять механическим воздействиям, возникающим при резании, является случайной нормально распределенной величиной по длине лавы L [2, 7, 10].

На рис. I изображены относительные зависимости линейных скоростей резания и подачи V_n УМ при работе с постоянными мощностью двигателя резания Р_д$ _р и толщиной стружки к_опт от относительной длины лавы L с упорядоченной сопротивляемостью угля резанию А (ось А/А_тая ). Для этой лавы отношение Л = A_min/A_max -= 4, где A_min , А_тах - соответственно минимальное и максимальное

Рио.I. Скоростные характеристики УМ в лаве: I - теоретическая при P_dg~ const, к = const ; 2 - расчетная проектировочная при работе на участке A_min+ в_А с V = const \ к = const

значения А . Особенностью подобных скоростных характеристик в лавах с другим отношением Л является резкое увеличение У_р и V_n в зоне малых нагрузок соответствующих Л, изменяюпршся в диапазоне A_min. .. А _т1_л^щ*‘ » где - среднеквадратичное отклонение Л от его математического ожидания. Расчеты показывают, что при работе с постоянными скоростями резания и подачи в зоне малых нагрузок недоиспользование установочной мощности двигателя (заштрихованная зона на рис.1) составляет    а    диапазон регулирования

скорости двигателя уменьшается в 1,2...1,3 раза вверх от номинальной, что существенно влияет на упрощение конструкции редукторов исполнительных органов резания и увеличивает надежность работы двигателя.

С учетом изложенного и существующих ограничений максимальной допустимой скорости резания V_{p тах доп} за проектировочный расчетный режим работы УМ,который должен выполнять управляемый электропривод, принимается: V_p._maxpacM = const,    van, h_onr = const

на участке лавы с А , изменяющимся в диапазоне A_min... А_п; ^рд&.р - const , h_onr = const, V_p = van на участке лавы с А , изменяющимся в диапазоне А_п...А_тах, где А_п - проектировочное значение сопротивляемости угля резанию в условиях разрабатываемого iuiacTaJ

На рис. 2 изображены возможные проектировочные скоростные характеристики УМ при различных значениях заданной суточной производительности Q_cyT. Кривая I представляет собой скоростную характеристику УМ при принятом расчетном режиме работы с предельной производительностью Q _пред • Увеличение заданной производительности Q_cyT ^>Q_nped (кривая 3 на рис. 2) влечет за собой невыполнение принятого проектировочного расчетного режима, так как в этом случав недоиспользуется установочная мощность двигателя. При Q_cyr > Q_np9d точка П₁ перемещается в точку П₃ , в пределе точка n_L будет иметь координаты [ч_р._{таж Эоп} , А_таж }    .    Этому    будет

соответствовать значение А_п = А_тах , и тогда для проектировочного расчетного режима регулирование скорости резания теряет смысл.

Определение координат точки л* при соответствующих значениях Q_cyT приводится в разделе 3 данных рекомендаций.

6

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ» ОГРАНИЧЕНИЯ И ДОПУЩЕНИЯ

При выборе параметров электродвигателей исполнительного органа резания УМ с управляемыми приводами используют данйые, приведенные в табл.2.

2.1. По заданной мощности пластов Н_тах и H_min определяется количество типоразмеров УМ. Расчетная мощность пласта находится по формуле

2.2. Основной характеристикой изменчивости статической на* грузки на валу исполнительного органа резания является распределение А по длине лавы. За расчетную модель лавы принята лава с нормальным законом распределения А [9,10]. На рис.З приведены зависимости А_так и А от средней сопротивляемости угля резанию A_cfi для наиболее часто встречающихся случаев.

8

3. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА РЕЗАНИЯ

3.1. Средняя расчетная мощность электродвигателя P_dS ^ (кВт) составляет

^дВ.р ⁼ Рр ⁺ ^погр *