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.

Таблица 3

Обозначение физической величины или параметра Наименование физической величины или параметра F.TrmTtrrrft измерения I 2 3 •Ар, *Дрг 9 А п Приводные двигатели первого, второго исполнительного органа резания и механизма подачи МП Механизм подачи ио1,иаг Первый и второй исполнительные органы резания Ма1 > маг > мап Электродвижущие моменты на валах А0 , АРг и Д„ * Н-м Рп Тяговое усилие на валу Д п Н МсР1'М'-Рг Моменты сил резания на И01 и И02 » цриведенные к валам АР1 * АРг Н*м Рс.п Сопротивление подаче, приведенное к валу Дп Н Q У1 Приведенные моменты инерции якорей Д^ и Д-. в двухмассных расчетных схемах УМ п кг.вг Приведенные к валу соответствующего двигателя моменты инерции исполнительных органов ИО, и И0г в двухмассных расчетных схемах УМ кг.м^ Ъ Приведенный момент инерции якоря Д в двухмассных расчетных схемах УМ кг.м*^ Ъ _ / _ > ^1 > З5 Приведенный к валу Д„ момент инерции УМ в ее двухмассной расчетной схеме кг.м2 Приведенные моменты инерции систем Др - И01 , До - И0г в одномассных расчетных схемах УМ (приводятся к валам двигателей) кг.м2 * Приведенный момент инерции системнД -УМ и одномассной расчетной схеме Ум кг.м2 Угловые скорости валов APl * Арг рад/с

15

Продолжение табл.З

I 2 3 U)7n ,60-2 Pi * 6Рг Угловые скорости валов И01 # И02 рад/с ШЗп>Ш*п Угловые скорости валов Дп и тяговой рад/с звезды механизма подачи v* Линейная скорость подачи УМ м/с Напряжение на зажимах якорных обмоток A Pi и Арг в Vn Напряжение на зажимах якорной обмотки Дп в Vs Напряжение на независимой обмотке возбуждения какого-либо двигателя в TP1>JP2 Токи в якорных обмотках двигателей Д. и А я И1 Рг А h Ток в якорной обмотке двигателя подачи Д п А I tu * ^ В Токи в шунтовой и независимой обмотке А. возбуждения какого-либо двигателя Электрическая конструктивная постоянная какого-либо двигателя В. А т L$f Lя Индуктивность сериесной, шунтовой, независимой и якорной осЗмоток двигателя Г cvc, ojw Количество витков сериесной и шунтовой шт. обмоток двигателя M Взаимная индуктивность сериесной и шунтовой обмоток двигателя Г C* Механическая постоянная двигателя Н.м.рад/с Ф Магнитный поток одного полюса двигателя Т z* Активное сопротивление обмотки якоря двигателя Ом &Ш> R 6 Активное сопротивление шунтовой и независимой обмоток двигателя Ом Радиус тяговой звезды механизма подачи м . a L Передаточное отношение редуктора mK Масса угледобывающей машины кг vW^Pi Угол поворота валов Д^ и Д^2 рад Угол поворота валов И01 и ИОг рад 4>3n Угол поворота вала Дп рад 4>4n Угол поворота вала тяговой звезды меха рад низма подачи *Vk.a Кинематическая погрешность передач какого-либо редуктора рад

16

Окончим табл.З

I______ 2 3 г * Css t Cj* Приведенная жесткость передач соответ-ственно редуктора APi , Арг и А„ Н.м/рад Pl2 'fits ’ РзЧ Коэффициенты вязкого трения в редукторах Н.м/рад/с Mc.p.o1 > Мс.р.ог Постоянные составляющие в MCtp1 и MCtPz Н.м ^с.Пр Постоянная составляющая в Fc n Н cf,c2 Эмпирические коэффициенты в уравнениях (5.Г), (5.2), (5*4)7(5.5) 1/м С, Эмпирический^ коэффициент в уравнениях 1/м2 Эмпирический коэффициент в уравнениях (5.3) и (5.6)

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.

Рис. 5. Расчетные двухмассные (а) и одномассные (б) схемы УМ

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

Рис. 6. Расчетная схема приводного электродвигателя постоянного тока

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].

Таблица I
Мощность	Диапазон изменения
пласта, м	максимальной толщины
	стружки, см
0,8...1,0	.6,3
1,0...1,6	5,5...7,7
2,0...3,5	6,3...9,0

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.

Таблица 2

Наименование данных Обозначение Единица измерения Примечание I 2 3 4 Мощность разрабатываемых пластов: максимальная тал м минимальная Нт1л mitt м

7

Продолжение тайл.2

I 2 3 4 Диаметр шнека исполнительного органа Яи М Сопротивляемость угля резанию, средняя 8- Н/м Указываются хрупко пластические свойства разрабатываемого угольного шастагхруп-кость, вяз кость.., Производительность УМ, суточная ®сут т/сут Максимально допустимая скорость резания ^р. max доп м/с 0 бу словливается требованиями техники безопасности ведения очистных работ Ширина захвата В м Плотность угля Коэффициент полезного действия редуктора исполнительного органа резания Коэффициент машинного времени Число добычных смен Y Урр к» тд т/м3 Продолжительность добычной смены Те с(мин)

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 *