Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Введение
• 1. Описание машины на предприятии. Технические хараткристики экскаватора ЭKГ-10
• 2. Аналитический обзор
• 2.1 Литературный анализ имеющихся систем привода поворота
• 2.2 Сравнение привода Г-Д с ТП-Д
• 2.3 Патентное исследование и анализ его результатов
• 3. Технико-экономическое обоснование сущности модернизации экскаватора ЭKГ-10
• 4. Выбор элементов, построение структурной схемы и статических механических характеристик системы электропривода на постоянном токе
• 4.1 Выбор электродвигателя и расчет главных параметров
• 4.1.1 Выбор электродвигателя
• 4.1.2 Проверка двигателя по нагреву
• 4.2 Расчет параметров цепи якоря
• 4.3 Выбор тиристорного преобразователя (ТП) для электропривода постоянного тока
• 4.4 Расчет мощности и параметров питающего трансформатора
• 4.5 Выбор сглаживающего дросселя
• 4.6 Определение коэффициентов передачи и постоянных времени силовых элементов
• 5. Выбор структуры системы управления ЭП постоянного тока и расчет статических режимов их работы
• 5.1 Выбор структуры системы автоматического управления (САУ) и её элементов
• 5.2 Построение функциональной схемы САУ
• 5.3 Выбор задающего устройства
• 5.4 Выбор тахогенератора
• 5.5 Выбор операционных усилителей для построения регуляторов
• 5.6 Выбор датчика тока
• 5.7 Выбор блока токоограничения
• 5.8 Расчет параметров обратной связи
• 6. Разработка системы управления электроприводом поворота
• 6.1 Составление передаточных функций элементов САУ
• 6.2 Построение структурной динамической схемы САУ и выбор настроек регуляторов
• 6.2.1 Оптимизация токового контура
• 6.2.2 Оптимизация скоростного контура
• 7. Расчет динамических процессов в электроприводе поворота
• 7.1 выбор метода исследования динамики привода
• 7.2 Составление расчетной структурной схемы привода
• 7.3 Результаты расчета переходного процесса
• 8. Составление принципиальной схемы системы. Описание схемы. Спецификация.
• 8.1 Составление принципиальной схемы
• 8.2 Составление спецификации электрооборудования системы
• 8.3 Расчет капитальных вложений в электропривод (расчет себестоимости)
• 8.3 Расчет эксплуатационных расходов
• 8.3.1 Расчет затрат на ремонт и обслуживание
• 8.3.2 Расчет трудоемкости ремонтов
• 8.3.3 Расчет плановых потребностей в рабочей силе и фонда зарплаты
• 8.3.4 расчет стоимости потребляемой электроэнергии
• 8.4 Расчет надежности электропривода
• 8.5 Стоимостная оценка результатов исследования
• 9. Безопасность жизнедеятельности
• 9.1 Анализ производственных вредности и опасности при эксплуатации экскаватора ЭKГ-10
• 9.2 Техника безопасности и противопожарная профилактика при эксплуатации экскаватора ЭKГ-10
• 9.3 Расчет защитного заземления экскаватора ЭKГ-10
• Заключение
• Список литературы

Введение

Экскаваторы ЭKГ-10 используются на открытых горных разработках по добыче руды для предприятий черной и цветной металлургии, в угольных карьерах, промышленности строительных материалов, а в тоже самое время при выполнении больших объемов земельных работ в промышленном строительстве. Одноковшовые карьерные экскаваторы есть главные машины, которые применяются на угольных и рудных карьерах, как наиболее удовлетворяющие требованиям работы в самых тяжелых горно-геологических и климатических условиях.

Экскаваторный парк периодически пополняется новыми современными машинами. Однако наряду с новыми типами экскаваторов на карьерах в эксплуатации находится много машин прежних выпусков. Поэтому для повышения производительности труда и безаварийной работы экскаваторов имеет большое значение их модернизация. То есть замена устаревшего оборудования экскаватора современным, новым оборудованием, применение более новых разработок в технике, могли бы улучшить производительность экскаватора, уменьшить его энергоемкость, сократить простои, увеличить межремонтный цикл экскаваторов.

Тема настоящего дипломного проекта - это модернизация электропривода поворота экскаватора ЭKГ-10. Электрооборудование экскаватора работает в весьма тяжелых условиях тряски, ударов, вибраций, большой запыленности. Электропривод поворота работает в интенсивном повторно-кратковременном режиме, с большой частотой включений, при изменяющейся в широких пределах нагрузке на валу двигателя.

В дипломном проекте я заменяю систему Г-Д на ТП-Д, которая построена по принципу подчиненного регулирования с последовательной коррекцией. Тиристорный преобразователь обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с генератором. К главному из них имеется возможность отнести: высокий КПД, малая мощность управления, высокое быстродействие, малые габариты и вес, более высокая надежность и другие.

Применяемая структурная 3-х контурная система подчиненного регулирования имеет два главных достоинства, определяющих ее широкое распространение. Это следующие:

Простота расчета и настройки. Система разбивается на ряд контуров. Каждый контур включает в себя регулятор, за счет придания которому определенных динамических свойств получаются стандартные характеристики. Настройка в процессе наладки системы ведется, сначала с внутреннего контура. Поскольку регулятор имеет простую передаточную функцию, а качество настройки имеет возможность быть легко оценено по результатам сравнения реакции контура на скачок управляющего воздействия со стандартной переходной характеристикой, наладка системы оказывается простой.

Удобство ограничения предельных значений промежуточных координат системы. Поскольку выходной сигнал регулятора внешнего контура есть предписанный значением для внутреннего контура, ограничение выходной координаты внутреннего контура достигается за счет ограничения определенным значением выходного сигнала регулятора внешнего контура.

Модернизацией привода поворота экскаватора хочется повысить его надежность, срок службы, сократить сроки ремонта и технического обслуживания, увеличить межремонтный цикл, сократить затраты на ремонтные работы.

Добыча полезных ископаемых открытым способом непрерывно развивается и совершенствуется. Успехи горнодобывающей промышленности в этой области в значительной степени обусловлены развитием отечественного машиностроения, которое обеспечивает высокий уровень механизации открытых разработок, и оснащающего эти разработки комплексом надежных и высокопроизводительных механизмов. Одно из важных мест среди этих механизмов занимают одноковшовые экскаваторы средней и большой производительности.

Современный мощный экскаватор - это сложная высокопроизводительная землестройная машина, которая по своей насыщенности электрооборудованием, по общей установленной мощности электрических машин сравнима со средним промышленным предприятием. Все главные механизмы таких экскаваторов оборудуются индивидуальным электроприводом по системе управляемый преобразователь - двигатель с той или иной схемой автоматического управления, как правило, представляющей собой замкнутую систему автоматического регулирования. Маневренность главных механизмов экскаватора, надежность их работы и производительность машины в целом зависят от технических возможностей системы электропривода, качества ее наладки и условий эксплуатации.

Отечественные одноковшовые экскаваторы средней и большой производительности оборудуются индивидуальным электроприводом главных механизмов. Главные электроприводы - это электроприводы подъема, напора и поворота.

Режим работы электроприводов главных рабочих механизмов характеризуется большим числом включений, резким изменением нагрузки, частыми изменениями направления вращения (реверсированием). Иными словами, электроприводы работают главным образом в неустановившемся режиме. Поэтому к электроприводу экскаватора предъявляются особые требования. Например, одно из требований, которые предъявляются к электроприводу поворота - это обеспечение протекания переходных процессов в минимально возможное время с ограниченным ускорением или замедлением, в особенности при торможении. Такое требование вызвано тем, что механизм поворота работает исключительно в переходных процессах пуска и торможения. Кроме того, вследствие большого передаточного отношения редуктора механизма поворота могут быть люфты в передачах, что требует плавного разгона во избежание резких ударов в передачах. Разработками в управлении электроприводом считаем цель частично сгладить эти недостатки в управлении электроприводом экскаватора.

В электроприводе механизма поворота одноковшового экскаватора используются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, управляемые изменением напряжения в цепи якоря. С этой целью якорь двигателя подключается к индивидуальному источнику питания - управляемому преобразователю (система УП-Д). В качестве управляемого преобразователя имеет возможность быть использован генератор постоянного тока (система Г-Д) или тиристорный преобразователь (система ТП-Д).

В настоящий момент внедряются тиристорные преобразователи в качестве возбудителя генераторов на мощных экскаваторах и в системе ТП-Д на относительно небольших машинах. Преобразователи, которые предназначены для возбуждения генераторов, снабжаются системами импульсно-фазового управления (СИФУ) с фазовращающими мостами, в которых в качестве управляемой индуктивности используются дроссели насыщения. Более мощные преобразователи, которые предназначены для питания якорных цепей двигателей, имеют полупроводниковые СИФУ, построенные по вертикальному принципу.

Динамические свойства преобразователя отличаются своеобразием, которое связано с дискретностью импульсно-фазового способа регулирования напряжения и с неполной управляемостью тиристоров.

Второй фактор, который определяет динамические свойства вентильного преобразователя, есть быстродействие его СИФУ. Полупроводниковые СИФУ, построенные по вертикальному принципу, обладают высоким быстродействием и практически считаются безинерционными.

В системе Г-Д используют магнитный усилитель в качестве возбудителей генераторов с независимым возбуждением. Важнейшая особенность режима работы магнитных усилителей в схеме Г-Д с самовозбуждением генератора -это возможности изменения тока нагрузки усилителя скачком.

Магнитный усилитель с выходом на постоянном токе обладает реальным КПД около 30-35 % и комплектуются их двух одно-контактных магнитных усилителей. Эти факторы определяют их относительно высокие габариты, в особенности при применении наиболее надежных в настоящее время селеновых выпрямителей. При полной выходной мощности усилителя около 2-3 кВт установленная мощность его дросселей и выпрямителей составляет 12-15 кВт. Целесообразность использования еще более мощных усилителей в экскаваторных, да и в других электроприводах вызывает сомнения. При этом преимущества явно на стороне тиристорных преобразователей.

С помощью тиристоров имеется возможность конструктировать силовые управляемые преобразователи, по ряду показателей выгодно отличающиеся от электромашинных преобразовательных агрегатов. Тиристор представляет собой полупроводниковый вентиль, снабженный дополнительным управляющим электродом, с помощью которого имеется возможность изменять его запирающие свойства.

1. Описание машины на предприятии. Технические характеристики экскаватора ЭKГ-10

Таблица 1.1 -Технические характеристики экскаватора ЭKГ 10 и его модификаций ЭKГ-5у И ЭKГ-8ус

Параметры	ЭKГ-10	ЭKГ-10м	ЭKГ-8ус	ЭKГ-5у	ЭKГ-5,2у
Основного ковша, м3	10,0	11,5	8,0	5,0	5,2
Вместимость сменного ковша, м3	8,0; 12,5; 16,0	-	-	-	-
Расчетная продолжительность цикла, сек.	26	26	28	30	30
Наибольшее усилие на подвеске ковша, кН (тс)	980 (100)	1078 (110)	780 (79,6)	490 (50)	490 (50)
Номинальная мощность сетевого двигателя, кВт	800	800	800	800	800
Номинальная мощность трансформатора, кВА	160	160	160	160	160
Напряжение сети (3-х фазная, 50 Гц), В	6000	6000	6000	6000	6000
Скорость передвижения, км/час	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7
Наибольший преодолеваемый угол подъема, рад (град)	0,2 (12)	0,2 (12)	0,2 (12)	0,2 (12)	0,2 (12)
Среднее удельное давление на грунт (1100 мм звенья), кПа	313	316	320	306	306
Среднее удельное давление на грунт (1400 мм звенья), кПа	224	226	230	218	218
Рабочая масса с ковшом, т	395,0	402,0	405,0	386,0	386,0
Масса основного ковша, т	16,2	19,5	14,4	8,6	8,6
Масса противовеса, т	45-50	55-60	55-60	45-50	45-50

Краткое описание экскаватора ЭKГ 10

Экскаваторы на базе ЭKГ 10 предназначены для разработки и погрузки в транспортные средства полезных ископаемых и пород вскрыши на открытых горных разработках, для отвалообразования, а в тоже самое время для погрузочных работ на складах.

Экскаваторы с удлиненным рабочим оборудованием могут быть использованы для проходки пионерных траншей, а в тоже самое время погрузки в транспортные средства, которые расположены на вышележащих горизонтах.

Рисунок 1.1 - Схема рабочих размеров экскаватора ЭKГ 10

	Параметры	ЭKГ-10	ЭKГ-10м	ЭKГ-8ус	ЭKГ-5у	ЭKГ-5,2у
А	длина стрелы, м	13,86	14,36	16,50	20,6	20,6
В	ход рукояти, м	4,55	4,35	5,3	5,53	5,53
?	угол наклона стрелы, град	45	45	50	50	50
С	наибольший радиус копания, м	18,40	19,00	19,80	23,70	23,70
D	наибольшая высота копания м	13,50	14,50	17,60	22,20	22,20
Е	наибольший радиус разгрузки, м	16,30	16,50	17,90	22,10	22,10
F	наибольшая высота разгрузки, м	8,60	10,20	12,50	17,50	17,50
I	высота до головных блоков стрелы, м	14,62	14,97	17,39	20,74	20,74
К	радиус копания на уровне стояния, м	12,60	12,60	13,50	14,50	14,50
L	высота до фильтро-вентиляционной установки, м	8,29	8,29	8,29	8,29	8,29
М	просвет под поворотной платформой, м	2,77	2,77	2,77	2,77	2,77
N	радиус вращения хвостовой части поворотной платформы, м	7,78	7,90	7,78	7,78	7,78
Р	расстояние от пяты стрелы до центра вращения, м	2,4	2,4	2,4	2,4	2,4
R	высота до двуногой стойки, м	11,56	11,56	11,56	11,56	11,56
U	уровень глаз оператора, м	7,65	7,65	7,65	7,65	7,65

Электрооборудование экскаватора ЭKГ 10

Экскаватор ЭKГ 10 (и его модификации) оборудован современной электронной системой управления на базе тиристорных преобразователей, которые обеспечивают независимое бесступенчатое регулирование главных приводов и формирование оптимальных статических и динамических характеристик по схеме «генератор-двигатель».

Система управления снабжена необходимыми блокировками для обеспечения надежной и безопасной работы экскаватора. Блочное исполнение преобразователей облегчает обнаружение неисправностей и их ремонт.

Габаритные размеры экскаватора Главные узлы.

нижняя рама сварная из низколе гированной стали

длина, м .............................................3,88

ширина, м...........................................3,85

зубчатый венец из легированной стали

диаметр, мм .....................................4391

ширина, мм .........................................280

диаметр роликового круга по центру рельса, м..................3,80

число роликов, шт................................40

диаметр ролика, мм ................./........230

рама поворотной платформы сварная из низколегированной стали

длина, м.............................................12,33

ширина, м...........................................3,90

ходовая тележка:

общая ширина

(1100 мм гусеничные звенья), м........6,68

(1400 мм гусеничные звенья), м........6,98

общая длина, м...........................7,95-8,23

количество и диаметр опорных колес

...................................................4х960 мм

.................................................4х1350 мм

диаметр ведущего колеса, мм.........1380

диаметр натяжного колеса, мм....1380

количество и шаг гусеничных

звеньев, мм.....................................74х470

Таблица 1.2 - Рабочее оборудование

Стрела сварная	из 2-х секций
Диаметр головных блоков с поверхностной закалкой ручьев, мм	1365
Диаметр напорных двухручьевых блоков с поверхностной закалкой ручьев, мм	1452
Диаметр рукояти, мм	700
Толщина стенки балки рукояти, мм	50

2. Аналитический обзор

2.1 Литературный анализ имеющихся систем привода поворота.

Экскаваторы - один из главных механизмов для выполнения строительных работ. Существует много разных видов экскаваторов: с малой вместимостью ковша, экскаваторов на автошасси, гидравлических 3-й размерной группы, гусеничные экскаваторы и другие. Современный экскаватор - это не просто землеройная машина, а многофункциональный комплекс, который способен выполнять очень широкий спектр общестроительных и дорожных работ, а в тоже самое время мелиоративных, металло- и лесозаготовительных, мусороперерабатывающих, сельскохозяйственных и т.д. Гусеничные экскаваторы успешно работают на сносе зданий и при аварийно-спасательных работах.

Роторные экскаваторы относятся к экскаваторным машинам непрерывного действия. Рабочий орган такого экскаватора - это роторный ковш, то есть непрерывно вращающийся барабан с размещенными на нем ковшами, которые в одной точке цикла вращения зачерпывают сыпучие породы, а в противоположные выгружают их на транспортерную ленту, по которой породы перемешаются к отгрузочному сектору.

Диаметры роторных барабанов могут колебаться от двух до восемнадцати метров. Большинство роторных экскаваторов оснащаются гусеничным ходом, а особенно крупные экскаваторы имеют железнодорожный ход.

Производительность роторного экскаватора имеет возможность достирать пятнадцати тысяч кубометров в час. Роторные экскаваторы, в большинстве случаев, работают в карьерах для добычи рыхлых пород и пород средней крепости. Роторные экскаваторы, которые предназначеныдля карьерной добычи угля, способны создавать большое усилие резания.

Условия залегания глин и каолинов определяют специфику работы добычных роторных экскаваторов и особые требования к их конструкции. Должна быть обеспечена полнота выемки сортовых слоев /марок/ огнеупорных глин и каолинов с минимальным засорением, разубоживанием и технологическими потерями, особенно на контактах с почвой и кровлей, а в тоже самое время при удалении прослоек песка и некондиционных слоев.

Предлагается следующая классификация главных месторождений огнеупорного сырья:

1. Сложное строение пласта с 4-6 и более литологическими разновидностями, сложным напластованием и переменной мощностью слоя.

2. Менее сложное строение пласта с 2-4 литологическими разновидностями.

3. Простое строение пласта полезного ископаемого с одним или двумя литологическими разновидностями выдержанной мощности и преимущественным распространением одного сорта.

Селективная разработка пласта огнеупорного сырья с использованием роторных экскаваторов в зависимости от сложности строения продуктивной толщи имеет возможность осуществляться горизонтальными стружками, вертикальными однорядными стружками, вертикальными многорядными стружками.

На месторождениях первых двух типов разработку забоя ведут роторными экскаваторами горизонтальными стружками, так как этот способ есть наиболее приемлемый для раздельной разработки маломощных пластов. Третий тип месторождений разрабатывают одноковшовыми экскаваторами.

Разработка забоя горизонтальными стружками заключается в том, что исполнительным органом в забое пласта последовательно вынимаются горизонтальные стружки. Главные достоинства этого способа - низкий процент смешивания сортов сырья и меньшая длина суммарного пути перемещений ротора. К недостаткам этого способа следует отнести уменьшение обрабатываемой высоты уступа, то есть максимальная высота подъема стрелы применяется более эффективно при разработке вертикальными стружками.

Многолетний опыт подтверждает, что наиболее эффективные выемочно-погрузочными машинами на карьерах огнеупорных глин и каолинов есть роторные экскаваторы. Решающие и преимущества роторных экскаваторов перед одноковшовыми, а в тоже самое время перед другими механизмами (бульдозеры, скреперы и пр.) -это следующие: высокая производительность, относительно небольшая металлоемкость, возможность селективной разработки пластов сложного строения, приспособленность рабочего оборудования к частым изменениям мощности пласта и отдельных его слоев, возможность применения в непрерывно-поточных технологических схемах, позволяющих автоматизировать процесс производства.

Отечественной промышленностью выпускаются роторные экскаваторы на базе дизель-электрических одноковшовых экскаваторов четвертой и шестой размерных групп для разработки грунта выше уровня стоянки до 7,5 м. и ниже этого уровня до 3,5 м. при радиусе копания до 11,5 м и технической производительности в грунтах I категории до 550 м3/ч. По удельной энергоемкости эти машины находятся на уровне лучших экскаваторов непрерывного действия (0,22...0,24 кВт-ч/м3), но уступают им по удельной материалоемкости (100...140 кг/ч).

От базовых одноковшовых экскаваторов в конструкциях роторных стреловых экскаваторов сохраняются ходовые и опорно-поворотные устройства, частично или полностью платформу, на которой располагают силовую дизель-генераторную установку (обычно в хвостовой части платформы с целью ее уравновешивания), насосную станцию, механизмы поворота, кабину с органами управления и две стойки-пилоны. В верхней части пилонов шарнирно закрепляют стрелу с ротором на конце и приемным ленточным конвейером, расположенным вдоль стрелы. Для работы на уступах различных уровней стрела имеет возможность поворачиваться относительно шарнира на пилоне в вертикальной плоскости посредством гидроцилиндра. Ротор с ковшами и тарельчатым питателем приводится во вращение от электродвигателя через систему карданных валов и зубчатых передач, а приемный конвейер -- мотор-барабаном. Последний представляет собой барабан со встроенным в него электродвигателем и зубчатым редуктором. Отвальный конвейер опирается на центрально установленный подпятник с индивидуальным электрическим приводом, обеспечивающим конвейеру независимый поворот в плане относительно поворотной платформы. Вертикальное положение отвального конвейера в зависимости от высоты разгрузки регулируют гидроцилиндром, шарнирно закрепленным на кронштейнах стоек-пилонов с возможностью соосного вращения с отвальным конвейером. Привод отвального конвейера осуществляется мотор-барабаном на его дальнем конце.

Дли работы верхним копанием (выше уровня стоянки экскаватора) машину располагают перед забоем на расстоянии вылета стрелы. Отвальный конвейер устанавливают по высоте и в плане в положение разгрузки. Вертикальными перемещениями стрелы при вращающемся роторе последний заглубляют в грунт на высоту уступа. Фиксируя в этом вертикальном положении стрелу, одновременным поворотом платформы и вращением ротора при движении ковшей снизу вверх разрабатывают грунт, отделяя его от массива, вынося ковшами вверх и разгружая на тарельчатый питатель, выполненный в виде наклонного вращающегося диска.

С помощью скребка грунт ссыпается с тарельчатого питателя на приемный ленточный конвейер, транспортируется им и перегружается в центральной части поворотной платформы на отвальный конвейер, которым выносится и разгружается в транспортное средство или в отвал. При разгрузке в транспортные средства положение отвального конвейера в плане неизменно, а при разгрузке в отвал конвейер имеет возможность находиться в одном положении или поворачиваться для распределения отсыпанного грунта ровным слоем в пределах отведенной полосы. В конце поворотного перемещения платформы, ограниченного шириной захватки забоя, ротор со стрелой опускают до уровня следующего уступа и реверсивным движением поворотной платформы при прежнем направлении вращения ротора повторяют экскавацию грунта. После разработки последнего уступа, чаше всего соответствующего уровню стоянки экскаватора, машину переметают в направлении к забою на новую стоянку и повторяют землеройный процесс.

Для работы нижним копанием ковши на роторе переставляют, поворачивая их на 180о, для возможности разработки грунта вращением ротора в направлении обратном прежнему направлению. Опустив стрелу, экскавацию грунта осуществляют по описанной выше схеме для верхнего копания. Для надежного транспортирования грунта круто наклоненным приемным конвейером используют прижимной конвейер, который устанавливают над приемным конвейером. Грунт перемешается между лентами двух конвейеров, движущимися в одном направлении.

Для добычи полезных ископаемых открытым способом, а в тоже самое время для вскрышных работ применяют мощные роторные комплексы производительностью до 5000 м3/ч в составе роторного экскаватора и накопительно-перегрузочных устройств с железнодорожными или автомобильными транспортными средствами на карьерно-добычных работах или транспортного отвального оборудования непрерывного действия на вскрышных работах. По своей структуре эти экскаваторы сходны с описанными выше строительными экскаваторами, но отличаются от них размерами и конструктивными решениями отдельных узлов. Фактическая, эксплуатационная производительность этих комплексов в значительной мере зависит от типа транспортных средств, которыми в основном определяются размеры вынужденных простоев экскаватора, меньшие для отвального оборудования непрерывного действия и большие для железнодорожного транспорта, особенно одноколейного.

2.2 Сравнение привода Г-Д с ТП-Д

Сравнивая, реверсивный тиристорный преобразователь, с генератором постоянного тока, имеется возможность установить существенные различия:

Таблица 2.1 - Сравнение Г-Д с ТП-Д

Генератор постоянного тока обладает большой электромагнитной инерцией, и как правило в системе Г-Д требуется ускорение (форсирование) процессов его возбуждения.	Тиристорный преобразователь есть быстродействующий и в электроприводе чаще всего требуется замедление протекания его переходных процессов;
Электромашинные преобразователи есть громоздкие вращающиеся установки.	Тиристорные преобразователи есть статические устройства, не требующими тяжелых фундаментов;
Синхронный двигатель преобразовательного агрегата обычно работает с опережающим , осуществляя компенсацию потребляемой другими нагрузками реактивной мощности	Тиристорный преобразователь обладает более высоким КПД, чем электромашинный преобразовательный агрегат. В то же время его коэффициент мощности при глубоком регулировании напряжения уменьшается
Генератор постоянного тока органически обладает двусторонней проводимостью.	В тиристорном преобразователе это свойство нереверсивных преобразователей в реверсивную схему с согласованным управлением;
Способом управления напряжением генератора в принципе более прост, чем способ управления напряжением тиристорного преобразователя.	Способом управления напряжением тиристорного преобразователя сложнее.

Составляя перечисленные особенности, имеется возможность убедиться в том, что по одним показателям тиристорный преобразователь существенно превосходит генератор постоянного тока, а по другим показателям выигрывает последний. Первые две отмеченные выше особенности и высокий КПД тиристорного преобразователя определяет тенденцию к замене электромагнитных агрегатов статическими преобразователями.

Система тиристорный преобразователь- двигатель обладает высокими регулировочными свойствами как в установившихся, так и в переходных процессах. Ограничение тока двигателя во всех режимах за счет следования ЭДС двигателя за ЭДС преобразователя определяет минимальные потери энергии во всех режимах, вплоть до стопорных.

2.3 Патентное исследование и анализ его результатов

Под патентными исследованиями понимаются исследования технического уровня и тенденций развития объектов техники, их патентоспособности и патентной чистоты на базе патентной и другой научно-технической информации.

Патентные исследования есть, как правило, составная часть научно-исследовательских, конструкторских и технологических работ, предусмотренных документами, которые регламентируют разработку, производство и реализацию объектов техники.

Цель патентных исследований - это получение исходных данных для обеспечения высокого технической уровня и конкурентоспособности объектов техники, использования современных научно- технических достижений и исключения неоправданного дублирования исследований и разработок.

Патентные исследования проводятся на различных этапах создания новой техники, в том числе в процессе разработки технической документации - с целью примения имеющихся достижений при решении поставленной задачи и возможности подачи заявки на изобретение по данному техническому решению. Патентные исследования проводятся в тоже самое время при совершенствовании и модернизации выпускаемой продукции с той же целью, что и при создании новой техники.

Патентные исследования проводятся на базе изучения, анализа и обработки данных, сосредоточенных в патентной документации.

Наиболее полно и доступно сущность изобретения излагается в описании к изобретению. Более же оперативная для патентного исследования - это реферативная информация, публикуемая в официальных патентных бюллетенях до публикации полных описаний. В частности, сведения об изобретениях, признанных в стране, публикуются в бюллетене изобретений (БИ) "Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки". Бюллетень снабжен справочно-поисковым аппаратом, в который входят: а) систематический указатель номеров авторских свидетельств и патентов, классифицированный по системе Международной классификации изобретений (МКИ); б) нумерационный указатель заявок с приведенными в порядке возрастания номерами соответствующими авторским свидетельствам, рефераты которых опубликованы в данном бюллетене.

Таблица 2.2 - Информация о поиске

Предмет поиска (тема, объекта, его составные части)	Цель поиска информации (для решения поиска технических систем)	Страна поиска	Классификационные индексы(УДК, МПК, МПИ, МКПО, НКИ)	Ретроспективность поиска	Наименование источников информации
Экскаватор ЭKГ-10	Анализ технических решений с целью выбора оптимального варианта для модернизации машины	РФ, СССР	E02F3/40 E02F3/60	5-30 лет	Описания к изобретениям и патентам, реферативные журналы, научно-техническая литература

Таблица 2.3 - Патентные документы для привода поворота ,которые косвенно имеют отношение к проекту(поиск патентной информации)

Предмет поиска	Страна выдачи, вид, № охранного док-та, классификационного индекса	Сущность заявленного технического решения и цели его создания, формула изобретения	Заявитель, страна, № заявки, дата приоритета, публикации	Сведения о действии охранного док-та или причина его аннулирования
1	2	3	4	5
Экскаватор ЭKГ-10	СССР, описание изобретения к авторскому свидетельству №718561, кл. E 02F 3/40,1980.	Ковш экскаватора, включающий боковые стенки, днище и ножевую систему с режущей кромкой, привод поворота ковша, отличающийся тем, что, с целью улучшения разгрузки ковша, ковш снабжен тросами, на которые надеты Т-образные пластины, при этом одни концы тросов шарнирно присоединены к режущей кромке, а другие концы, направляемые посредством двойных поворотных блоков, прикреплены к рычагам привода ковша. Использование гибкого днища позволяет производить принудительную разгрузку ковша, более полно очищать днище и снизить энергоемкость рабочего процесса.	Могилевский машиностроительный институт Заявлено 17.06.91. Опубликовано 10.03.95.	Прекратил действие
	СССР, описание изобретения к авторскому свидетельству №718561, кл. E 02F 3/40,1980	Ковш экскаватора, включающий боковые стенки, ножевую систему с зубьями и гибкое днище, выполненное в виде набора пластин, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности гибкого днища, гибкое днище имеет тросы, к которым прикреплены пластины, выполненные Т-образной формы, при этом тросы одними концами шарнирно присоединены к ножевой системе ковша, а другими - шарнирно к верхней части ковша. Наличие гибкого днища обеспечивает принудительную очистку ковша экскаватора при работе на липких грунтах и повышение производительности экскаватора, снижение энергоемкости процессов.	Могилевский машиностроительный институт Заявлено 17.06.91. Опубликовано 10.03.95.	Прекратил действие
Экскаватор ЭKГ-10	СССР, описание изобретения к авторскому свидетельству SU 771254 A, 25.10.80 №1008362	Рабочее оборудование гидравлического экскаватора, включающее рукоять, ковш, связанные механизмом поворота, состоящим из гидроцилиндра, рычага и тяги, дополнительный рабочий орган, шарнирно установленный на рукояти с закрепленными на нем шарнирными тягами, отличающееся тем, что дополнительный рабочий орган, выполненный в виде Т-образной рамы, оснащен двумя дисковыми ножами с зубчатой режущей кромкой, установленными с возможностью свободного вращения на расстоянии, превышающем ширину ковша, и посредством свободных концов шарнирных тяг соединен с механизмом поворота.	Ярославский государственный технический университет Заявлено 19.06.97 Опубликовано 20.05.99	Прекратил действие
	СССР, описание изобретения к авторскому свидетельству SU 746048 A, 12.07.80	Рабочее оборудование одноковшового экскаватора, включающее рукоять, на которой при помощи шарнирного многозвенника подвешен ковш, состоящий из подвижной задней стенки, днища и боковых стенок, отличающееся тем, что на подвижной задней стенке ковша имеются гнезда, в которые входят фиксаторы, установленные на боковых стенках ковша.	Тюменский государственный нефтегазовый университет Заявлено 21.05.97 Опубликовано 27.10.98	Прекратил действие

Таблица 2.4 - Научно-техническая документация, отобранная для последующего анализа

Наименование информации	Автор	Год, место и орган издания (утверждения, депонироние источника)
Строительные машины и оборудование. Справочное пособие.	Белецкий Б. Ф.	Ростов н/Д, Феникс, 2002.
Строительные машины и средства автоматизации	Волков Д. П.	Москва, Мастерство, 2002.
Строительные машины и основы автоматизации	Доценко А. И.	Москва, Высшая школа, 1995.
Технические основы создания машин	Богомолов А. А.	Белгород, БГТУ, 2008.

3. Технико-экономическое обоснование сущности модернизации экскаватора ЭKГ-10

Цель модернизации - это есть расширение функциональной возможности экскаватора и применение его для разрушения асфальтобетонных покрытий, мерзлых и уплотненных грунтов и упрощение конструкции привода рабочих органов.

Рисунок 2.1 - Рабочее оборудование гидравлического экскаватора, вид сбоку

Для достижения данной цели в рабочем оборудовании гидравлического экскаватора, которое состоит из стрелы, рукояти и ковша установлен дополнительный рабочий орган, который шарнирно связан с рукоятью. Дополнительный рабочий орган, выполненный в виде Т-образной рамы, оснащен двумя дисковыми ножами с зубчатой режущей кромкой, которые установлены с возможностью свободного вращения на расстоянии, которое превышает ширину ковша, и посредством свободных концов шарнирных тяг соединен с механизмом поворота.

Рабочее оборудование гидравлического экскаватора (рисунок 2.1) состоит из рукояти 1, ковша 2, его механизма поворота, который состоитиз гидроцилиндра 3, рычага 4 и тяги 5, которые шарнирно связаны между собой, и дополнительного рабочего органа 6, Т-образная рама 7 которого шарнирно закреплена на рукояти 1. На консолях Т-образной рамы 7 с возможностью свободного вращения установлены два дисковых ножа 8, которые оснащены зубчатыми режущими кромками, на расстоянии друг от друга, которое превышает ширину ковша 2 (рисунок 3.2). При этом механизм поворота ковша 2, например, в шарнире, соединяющем гидроцилиндр 3 с рычагом 4 и тягой 5, связан с Т-образной рамой 7 посредством двух шарнирных тяг 9.

Рисунок 2.2. Рабочее оборудование гидравлического экскаватора, вид спереди



Рисунок 2.3 - Положение рабочего оборудования при производстве насечек

Оборудование работает следующим образом. При выдвижении гидроцилиндра 3 ковш 2 посредством рычага 4 и тяги 5, а дополнительный рабочий орган 6 под действием тяг 9, поворачиваясь относительно соответствующих шарниров на рукояти 1, движутся навстречу друг другу, делая осуществление защемления разрабатываемого слоя асфальтобетона. При этом дисковые ножи 7, внедряясь зубчатыми режущими кромками в асфальтобетон, приходят во вращение и производят его насечку, тем самым облегчая процесс разрушения покрытия ковшом 2. В зависимости от толщины разрушаемого покрытия имеется возможность производить предварительную его насечку путем качения дисков 8 по поверхности асфальтобетона при повороте рукояти 1 или при движении экскаватора своим ходом, как это показано на рисунке 3.3. Отрывка первоначального приямка при разработке траншеи ковшом 2 в тоже самое время имеет возможность сопровождаться созданием на поверхности покрытия предварительной насечки.

Преимущество предлагаемой конструкции оборудования есть то, что оно имеет возможность быть смонтировано на базе стандартного оборудования обратной лопаты одноковшового гидравлического экскаватора с минимальными затратами на его модернизацию и использоваться для выполнения работ по разрыхлению грунта с целью уменьшения трудоемкости работ экскаватора при копании.

Тиристорный преобразователь есть быстродействующий и в электроприводе чаще всего требуется замедление протекания его переходных процессов. Тиристорные преобразователи есть статические устройства, не требующими тяжелых фундаментов; Тиристорный преобразователь обладает более высоким КПД, чем электромашинный преобразовательный агрегат. В то же время его коэффициент мощности при глубоком регулировании напряжения уменьшается. В тиристорном преобразователе это свойство нереверсивных преобразователей в реверсивную схему с согласованным управлением. Способом управления напряжением тиристорного преобразователя сложнее.

Составляя перечисленные особенности, имеется возможность убедиться в том, что по одним показателям тиристорный преобразователь существенно превосходит генератор постоянного тока, а по другим показателям выигрывает последний. Первые две отмеченные выше особенности и высокий КПД тиристорного преобразователя определяет тенденцию к замене электромагнитных агрегатов статическими преобразователями.

Система тиристорный преобразователь- двигатель обладает высокими регулировочными свойствами как в установившихся, так и в переходных процессах. Ограничение тока двигателя во всех режимах за счет следования ЭДС двигателя за ЭДС преобразователя определяет минимальные потери энергии во всех режимах, вплоть до стопорных.

4 Выбор элементов, построение структурной схемы и статических механических характеристик системы электропривода на постоянном токе

4.1 Выбор электродвигателя и расчет главных параметров

4.1.1 Выбор электродвигателя

Электрооборудование экскаватора работает в повторно-кратковременном режиме, характерная особенность, которого есть частые пуски и остановки двигателя. Считается известным, что потери энергии в переходных процессах непосредственно зависят от момента инерции электропривода, главную долю которого, если исключить инерционные механизмы, составляют момент инерции двигателя. Поэтому при повторно-кратковременном режиме желательно применять двигатели, которые при требуемой мощности и угловой скорости имеют, возможно, меньший момент инерции.

По условиям нагрева допустимая нагрузка двигателя при повторно-кратковременном режиме выше, чем при длительном. При пуске с повышенной статической нагрузкой двигатель должен развивать и повышенный пусковой момент, который превосходит статический на значение требуемого динамического момента. Поэтому в повторно-кратковременном режиме необходимо более высокая перегрузочная способность двигателя, чем при длительном.

Статическая нагрузка привода поворота определяется за счет трения опорных роликов и составляет около 20% номинального момента двигателя.

Главная нагрузка привода поворота обуславливается инерционными массами вращающихся частей экскаватора. Наибольшие нагрузки электромеханическая система привода поворота испытывает в переходных процессах - разгона и торможения платформы с груженым и порожним ковшом экскаватора. При поворотах платформы в пределах время разгона и торможения имеет возможность составлять 90-95%, и лишь 5% времени двигатели работают с установившейся скоростью. При углах, меньше , установившееся движение имеет возможность вообще отсутствовать.

По кинематической схеме (рисунок 4.1) механизма поворота приступим к выбору двигателя. Кинематическая схема поворотного механизма одноковшового экскаватора ЭKГ-10 состоит из двухступенчатого редуктора и открытой шестерной передачи с венцовой шестерней.

Рисунок 4.1 - Кинематическая схема механизма поворота

Д1; Д2- двигатели;

Р1; Р2- регулятор;

ВШ1; ВШ2- валы-шестерни;

ЗВ- зубчатый венец;

Б- база;

П- поворотная платформа;

РК- роликовый круг.

Исходные данные:

Частота вращений поворотной платформы, об/мин	2,5
Момент инерции платформы с груженым ковшом, т
Момент инерции платформы с порожним ковшом, т
Время цикла, с	27
Общее передаточное число	300
Количество двигателей	2

Найдем мощность привода поворотного механизма по формуле, представленной ниже:

где: J - это есть момент инерции вращающихся частей экскаватора с груженым ковшом, кг;

J - это есть момент инерции вращающихся частей экскаватора с порожним ковшом, кг;

- это есть расчетная угловая скорость платформы, рад/с;

- это есть время поворота платформы с груженым ковшом на разгрузку, с.

;

Угловая скорость платформы находится по выражению, представленному ниже:

;

где: - это есть частота вращений поворотной платформы, об/мин.

=2,5

тогда:=0,105*2,5=0,26(рад/с)

Мощность двигателя поворотного механизма при вращении платформы с груженым и порожним ковшом находится по выражению, представленному ниже:

;

При двух двигателях в поворотном механизме мощность каждого двигателя находится по выражению, представленному ниже:

;

По полученной мощности делаем выбор электрического двигателя и проверяем его по нагреву.

Делаем выбор ближайший по мощности двигатель ДЭВ-812 с основными параметрами, приведенными в таблице 1.

Таблица 4.1 - Технические данные двигателя

№	Данные двигателя поворота	ДЭВ-812
1	Номинальная мощность, кВт	100
2	Номинальная скорость вращения, об/мин	750
3	Номинальная напряжение, В	305
4	Номинальная ток якоря, А	360
5	КПД(ном.), %	93,4
6	Продолжительность включения, ПВ%	80
7	Ток независимого возбуждения, А	17,2
8	Число полюсов	4
9	Сопротивление обмотки якоря при t=20С Ом	0,014
10	Сопротивление обмотки независимого возбуждения при t=20 C Ом	4,76
11	Сопротивление обмотки дополнительных полюсов при t=20 С, Ом	0,009
12	Момент инерции,	8,25
13	Число секций обмотки якоря.	35
14	Соединение обмотки якоря
15	Соединение катушек независимой обмотки возбуждения

4.1.2 Проверка двигателя по нагреву

Произведем вычисление номинального момента двигателя поворота по по выражению, представленному ниже:

(Н м)

Общее передаточное число двигателя поворота находится по выражению, представленному ниже:

Суммарный момент инерции платформы с груженым ковшом, приведенный к валу двигателя находится по выражению, представленному ниже:

Где; - количество двигателей.

Суммарный момент инерции платформы с груженым ковшом, приведенный к валу двигателя находится по выражению, представленному ниже:

В соответствии с рекомендациями [5] возьмем моменты двигателя:

стопорный

отсечки

Динамический момент при разгоне двигателя с груженым и порожним ковшом находится по выражению, представленному ниже:

Где: - момент сопротивления платформы, преодолеваемый каждым двигателем при работе с установившейся скоростью.

Среднее значение момента, развиваемого двигателем при разгоне с груженым и порожним ковшом, находится по выражению, представленному ниже:

Время разгона двигателя до установившейся скорости с груженым ковшом находится по выражению, представленному ниже:

Угол, на который платформа повернется при разгоне двигателя с груженым ковшом находится по выражению, представленному ниже:

Где: - ускорение при разгоне двигателя с груженым ковшом

Тогда: или

Время торможения платформы с груженым ковшом находится по выражению, представленному ниже:

Средний момент, развиваемый двигателем при торможении с груженым и порожним ковшом находится по выражению, представленному ниже:

Угол, на который платформа повернется при торможении с груженым ковшом, находится по выражению, представленному ниже:

где: - это есть ускорение при торможении с груженым ковшом

тогда:

Возьмем за расчетный угол поворота платформы на разгрузку , найдем угол, на который платформа повернется с установившейся скоростью, и время поворота на этот угол:

Время разгона двигателя до установившейся скорости с порожним ковшом находится по выражению, представленному ниже:

Угол, на который платформа повернется при разгона двигателя с порожним ковшом находится по выражению, представленному ниже:

где: - это есть ускорение при разгоне с порожним ковшом

тогда:

Время торможения двигателя с порожним ковшом находится по выражению, представленному ниже:



Угол, на который платформа повернется при торможении с порожним ковшом, находится по выражению, представленному ниже:

где: - это есть ускорение при разгоне с порожним ковшом

тогда:

Угол поворота платформы с установившейся скоростью находится по выражению, представленному ниже:

время поворота на этот угол

Найдем эквивалентный момент двигателя поворота находится по выражению, представленному ниже:

Эквивалентный момент не должен превышать номинального, т.е. находится по выражению, представленному ниже:

Коэффициент продолжительности включения двигателя находится по выражению, представленному ниже:

По расчетам видно, что выбранный двигатель удовлетворяет требованиям поворотного механизма.

4.2 Расчет параметров цепи якоря

Индуктивность цепи якоря постоянного тока приближенно имеет возможность быть найдена по выражению Линвиля-Уманского:

где: ян - это есть номинальное значение тока якоря, А;

н - это есть номинальное значение угловой скорости двигателя, рад.;

Рn - это есть число пар полюсов;

Кк - это есть коэффициент компенсации (при наличии компенсационной обмотки

К = 0,25…0,3), К =0,3;

Иян - это есть номинальное значение напряжения якоря, В.

Активное сопротивление якорной цепи двигателя R в нагретом состоянии произведем расчет по его паспортным данным:

где:=0,004 - это есть температурный коэффициент;

t = tp - 200C=1150 - 200 = 950C

Rд20 С = 0,014+0,009=0,02(Ом)

Rя=0,02(1+0,004 95)=0,0195=0,02(Ом)

Активное сопротивление якорной цепи двигателя Rя = 0,02 Ом

4.3 Выбор тиристорного преобразователя (ТП) для электропривода постоянного тока

В экскаваторных электроприводах находят применение главным образом полноуправляемые реверсивные схемы тиристорных преобразователей. Наиболее благоприятными статическими характеристиками и регулировочными свойствами обладают преобразователи с согласованным управлением.

Тиристорный преобразователь обладает значительно более высоким коэффициентом усиления по мощности, несравненно более высоким быстродействием и повышенной за счет введения сглаживающих дросселей и уравнительных реакторов индуктивностью силовых цепей.

Тиристорный преобразователь Делаем выбор с учетом допустимой перегрузки по току и напряжению. Номинальное напряжение тиристорного преобразователя, который работает на якорь двигателя, Делаем выбор ближайшим большим к напряжению Иян

Iян = 360А; Иян = 305В

По этим данным Делаем выбор тиристорный преобразователь

серии ТП4-360/460Н-2-2УХЛ-4

Выходные параметры ТП

Номинальный ток Iнтп=360А;

Максимальный ток Iмахтп = 1280А;

Номинальное напряжение Интп = 460В;

Т - тиристорный;

П - принудительное возбуждение;

Ч - перегрузка 2,5Iн длительностью 10с;

360 - номинальный выход тока;

460 - номинальный выход напряжения;

Н - непосредственное подключение к сети;

2 - конструктивное исполнение двигателя - защищенное;

2УХЛ - климатическое исполнение;

4 - категория размещения по ГОСТ 15150-69

Найдем динамическое сопротивление тиристорного преобразователя:

Rдтп = (0,2…0,3)

Где Uтл - падение напряжения на тиристоре:

Uтп = 0,5…1,5В;

Iтп - среднее значение тока тиристора:

Iтп =

где: Idн - среднее значение номинального тока тиристора

Iтп - =120(A)

Тогда:

Rдтп = 0,3= 3,75 10(Ом)

4.4 Расчет мощности и параметров питающего трансформатора

Необходимую мощность трансформатора найдем по номинальной мощности тиристорного преобразователя Ртнн по выражению, представленному ниже:

Ртр = Ртп.н Ки

где : Ки - это есть коэффициент использования трансформатора по мощности (Ки = 1,45) для трехфазной мостовой схемы)

Номинальная мощность ТП находится по выражению, представленному ниже:

Тогда:

Делаем выбор питающий трансформатор серии ТСЗП.

Таблица 4.1 - Технические данные трансформатора

№	Технические данныетрансформатора серии ТСЗП
1	Номинальная мощность, кВт А	253
2	Номинальная напряжение, В
	сетевой обмотки	380,660
	вентильной обмотки	410
	преобразователя	460
3	Номинальный ток, А:
	переменной вентильной обмотки	200
	Выпрямленный преобразователя	360
5	Напряжение короткого замыкания, %	5,8
6	Ток холостого хода, %	3
7	Потери, Вт:
	холостого хода.	470
	короткого замыкания	2700
8	Вторичное фазовое напряжение, В	237

Найдем номинальный фазовый ток вторичной обмотки трансформатора по выражению, представленному ниже:

Активное сопротивление, приведенное ко вторичной обмотке трансформатора находится по выражению, представленному ниже:

Полное сопротивление трансформатора находится по выражению, представленному ниже:

Индуктивное сопротивление фазы трансформатора находится по выражению, представленному ниже:



Найдем индуктивность фазы трансформатора, приведенной ко вторичной обмотке по выражению, представленному ниже:

Полное активное сопротивление трансформатора находится по выражению, представленному ниже:

Rтр = 2 Rтрф (ом)

Полное сопротивление цепи тиристорного преобразователя находится по выражению, представленному ниже:

Rтп=Rтр+2Rдт+Rk,

где: Rдт - это есть сопротивление тиристоров;

Rдт = 0,0001Ом

Rk - это есть коммутационное сопротивление

где: - это есть индуктивность анодной цепи тиристора

m - это есть число пульсаций, m=3.

тогда: Rk=0,018 (Ом)

Rтп =0,019 (Ом)

4.5 Выбор сглаживающего дросселя

Для ограничения зоны прерывности токов до допустимого значения необходимо предусмотреть сглаживающий дроссель. Главные расчетные параметры дросселя есть его номинальный ток Iдр.н и индуктивность. При выборе дросселя по току надо обеспечить условие Iдр.н Iдн

Индуктивность дросселя находится по выражению, представленному ниже:

где: - полная индуктивность якорной цепи системы ТП-Д.

Требуемое значение рассчитаем по условию ограничения пульсации тока до допустимого для машины уровня находится по выражению, представленному ниже:

где: ее - относительная величина эффективного значения первой гармоники выпрямленного напряжения, определяемая из графика [6] при угле управления ___;

Еdo - это есть максимальная выпрямленная ЭДС ТП;

- это есть угловая частота пульсаций;

ie - это есть относительная величина эффективного значения первой гармоники выпрямленного, для двигателя поворота ДЭВ-812ie=0,04.

Найдем максимально выпрямленную ЭДС ТП по выражению, представленному ниже:



L	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
cosL	1	0,98	0,94	0,86	0,78	0,64	0,54	0,34	0,17	0
Edl	410	401,8	385,4	352,6	319,8	262,4	221,4	139,4	69,7	0

Найдем угловую частоту пульса по выражению, представленному ниже:

Поскольку пульсации растут с увеличением угла регулирования L, то требуемое значение Найдем на нижней скорости электропривода по выражению, представленному ниже: