Обоснование и выбор системы электропривода

 

Для управления двигателем главных приводов экскаватора (приводы подъема, напора, поворота) применяются следующие системы электропривода:

- от трехобмоточных генераторов;

- от силовых магнитных усилителей в сочетании с промежуточным магнитным усилителем СМУ - ПМУ - Г - Д:

- от статических тиристорных преобразователей в сочетании с промежуточным магнитным усилителем, у которых выход подключается на обмотки управления фазорегуляторов.

В последнее время для управления возбуждением генераторов широко используются тиристорные преобразователи, которые придают управления электроприводом новые качества.

Управление электроприводом по системе Г-Д посредством электромашинных или магнитных усилителей само по себе довольно сложно. Схемы возбуждения генераторов на тиристорных преобразователях имеет меньшее число последовательно включенных инерционных элементов в системе управления электроприводом, что дает возможность повысить общий коэффициент усиления системы и тем самым уменьшить погрешность регулирования. Статический коэффициент заполнения внешней характеристики электропривода в схемах с управлением от электромашинных или магнитных усилителей обычно равен и лишь при применении тиристорного преобразователя может быть доведен до , [1].

Сравнивая, реверсивный тиристорный преобразователь постоянного тока с генератором, можно установить следующие различия:

1) генератор постоянного тока обладает большой электромагнитной инерцией, и обычно в системе Г - Д требуется ускорение (форсирование) процессов его возбуждения. Тиристорный преобразователь является быстродействующим, и в электроприводе чаще всего требуется замедление протекания его переходных процессов;

2)электромашинные преобразовательные агрегаты экскаватора являются громоздкими вращающимися установками, с большими установленными мощностями. Тиристорные преобразователи являются статическими устройствами, не требующими тяжелых фундаментов;

3)тиристорный преобразователь обладает более высоким КПД, чем электромашинный преобразовательный агрегат. В тоже время при глубоком регулировании напряжения тиристорный электропривод имеет низкий коэффициент мощности, что требует разработки и установки специальных компенсирующих устройств, в то время как синхронный двигатель преобразовательного агрегата обычно работает с опережающим cos j, осуществляя компенсацию потребляемой другими нагрузками реактивной мощности;

Сопоставляя перечисленные особенности, можно убедиться в том, что по одним показателям тиристорный преобразователь существенно превосходит генератор постоянного тока, а по другим показателям выигрывает последний. Первые две выше отмеченные особенности и высокий КПД тиристорного преобразователя определяют тенденцию к замене электромашинного агрегата статическим преобразователем.

 

 

3 Расчёт мощности и выбор двигателя

3.1 Расчёт статических усилий

Для определения усилий, возникающих при работе экскаватора, необходимо знать массы и линейные размеры экскаватора и его отдельных конструктивных элементов, которые можно определить по электрическим формулам [3].

Массу всего экскаватора на основании отчетных данных определяем по формуле (3.1),

 

, (3.1)

 

где k_экс - коэффициент удельной массы экскаватора, равный отношению массы экскаватора к ёмкости ковша;

Е - емкость ковша, м³.

.

По величине массы экскаватора и приведенным в [3] коэффициентом k_L определяем линейные размеры отдельных конструктивных элементов по формуле (3.2)

 

. (3.2)

 

Размеры стрелы и рукояти:

;

.

Высота напорного вала:

.

Высота пяты стрелы:

.

Максимальная высота копания:

.

Массу поворотной платформы с механизмами, массу стрелы с блоками и массу напорного механизма рассчитываем по эмпирической формуле (3.3)

 

, (3.3)

 

где k_m - коэффициенты массы (по [3]);

m_экс - масса экскаватора.

 

Линейные размеры (ширину, длину и высоту) ковшей механических лопат определяем соответственно по формулам (3.4)÷(3.6):

=1,2∙³ =2,05м; (3.4)

=0,77∙2,05=1,58м; (3.5)

= 0,75∙2,05=1,54м. (3.6)

Массу и вес ковша рассчитываем по формуле:

 

, (3.7)

где С_к.л - коэффициент, равный 1,3 (по [3]);

m_к.л, Е - масса и ёмкость ковша механической лопаты соответственно.

m_к.л = 1,15∙1,3∙5=7,5 т;

.

где g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с².

 

Массу породы в ковше механических лопат рассчитываем по формуле:

, (3.8)

где g_п - плотность горной породы в целике (по [3]);

k_р - коэффициент разрыхления породы (по [3]).

 

Массу и вес рукояти механической лопаты определяем по формуле:

 

, (3.9)

 

где С_р – коэффициент, равный 0,9 (по [3]);

m_к.л - масса ковша лопаты.

m_р = 0,9∙7,5 = 6,75 т.

.

По полученным расчетным данным определяются усилие и мощность двигателя подъема и напора в отдельные периоды работы экскаватора в течение одного цикла.

Усилие, возникающее в подъемном канате N_п.л, которым обуславливается нагрузка двигателя подъемного механизма при копании, определяется из уравнения моментов, создаваемых сопротивлением породы копанию N_1л, весом ковша с породой G_к+п и весом рукояти G_р относительно оси напорного вала.

 

Сопротивление породы копанию рассчитываем по формуле:

 

= (3.10)

 

где k_к.л = 2.5 - удельное сопротивление породы копанию, которое зависит от характера породы;

k_р = 1.35 - коэффициент разрыхления породы

L_з - высота забоя, принимаемая равной высоте расположения напорного вала;

L_н - относительно уровня стояния экскаватора.

 

Вес ковша с породой и вес рукояти:

; (3.11)

G_к+п = .

Сила тяжести рукояти, создающая момент сопротивления при копании:

 

; (3.12)

где l_п - определяется по схеме на рисунке 3.1.

 

Усилие при копании:

, (3.13)

где l₁, l_к, l_p и l_п - длины плеч, определяемые по схеме на рисунке 3.1

 

Nпл .

Мощность двигателя подъемного механизма при копании породы:

 

где V_пл – скорость перемещения подъемного каната, м/с; [3], принимается V_пл = 0,65 м\с;

h = 0,8÷0,85 – КПД подъемного механизма;

Усилие, возникающее в подъемном механизме при повороте платформы на разгрузку, определяется из уравнения моментов создаваемых весом ковша с породой и весом рукояти относительно оси напорного вала;

 

= (3.14)

 

^,

 

где , , cosa, sinb, - определяются по схеме, рисунок 1.7.

При возвращении платформы с порожним ковшом в забой усилия в подъемном механизме определяется из уравнения моментов, создаваемых весом ковша без породы и весом рукояти,

 

= (3.15)

 

.

Мощность двигателя подъемного механизма при повороте платформы на нагрузку;

(3.16)

Мощность двигателя подъемного механизма при повороте платформы с порожним ковшом в забой;

. (3.17)

 

Среднее значение k_нап при врезании ковша в породу колеблется в пределах 50 – 80%, достигая в скальных породах величины 100 – 105%. Тогда формула (1.14) с учетом категории обрабатываемой породы записывается в виде:

,

Nнл = .

 

Для определения средневзвешенной мощности двигателя подъемного механизмов необходимо знать выполнение отдельных операций при работе экскаватора. Время поворота платформы на разгрузку и возвращение в забой составляет для прямых механических лопат 60 – 70% времени полного цикла работы. Для предварительных расчетов время цикла разбивается на три равных периода:

где t_к – время копания;

t_п и t_з – время поворота платформы на разгрузку и с порожним ковшом в забой;

t_ц = 23с – время цикла работы (см. таблицу 3.1):

.

 

Средневзвешенные мощности двигателей подъемного механизма:

 

= (1.27)

,