Глава 12

ЭЛЕКТРОПРИВОД И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ОДНОКОВШОВЫХ ЭКСКАВАТОРОВ

12.1. Общие сведения

Одной из основных машин на открытых горных разработках является одноковшовый экскаватор.

Для вскрытия и добычи полезного ископаемого при погрузке породы, угля и руды в железнодорожные вагоны и автосамо­свалы применяются одноковшовые электрические экскаваторы с оборудованием механической лопаты с ковшом емкостью от 3 до 35 м³. Основными машинами этого типа являются экскава­торы ЭКГ-4,6, ЭКГ-8И, ЭКГ-12,5. При бестранспортной системе вскрытия и для проходки траншей применяются шагающие драглайны с ковшом емкостью от 5 до 100 м³. К этому типу экскаваторов относятся ЭШ-5/45М, ЭШ-10/70А, ЭШ-15/90А, ЭШ-25/100, ЭШ-100/100. Наряду с мощными экскаваторами на­ходят применение и экскаваторы с ковшами емкостью 0,5—2 м³. Они служат для селективной выемки полезного ископаемого, применяются на вспомогательных и строительных работах.

Карьерные одноковшовые экскаваторы являются сложными машинами, имеющими несколько главных и вспомогательных механизмов. Электрическое оборудование экскаваторов является также довольно сложным вследствие высокого технического уровня применяемых электроприводов.

12.2. Рабочие режимы электроприводов экскаваторов

Работа экскаватора характеризуется в основном двумя следую­щими друг за другом процессами: копания (черпания) и пово­рота экскаватора в обоих направлениях. Процессы эти, чере­дуясь, следуют один за другим и в целом работа экскаватора протекает циклически.

Полный цикл выемки (черпания) и разгрузки осуществля­ется тремя рабочими механизмами: подъемным, напорным и по­воротным у экскаватора с оборудованием механической лопаты и тяги, подъемным и поворотным — у драглайна. Для разгрузки ковша на экскаваторе-лопате имеются специальный привод и механизм открывания днища.

Рабочий цикл экскаватора состоит из следующих основных элементов: копание, подъем ковша и одновременный поворот на выгрузку, разгрузка ковша, поворот к месту копания и одно­временное опускание ковша в забой.

Изменения вращающего момента и частоты вращения элек­тродвигателей графически изображаются в виде так называе­мых нагрузочных диаграмм. Изучение нагрузочных диаграмм позволяет установить сущность работы экскаватора и способ­ствует совершенствованию приемов управления машиной.

На рис. 12.1 представлены расчетные нагрузочные диа­граммы механизмов экскаватора с оборудованием механической лопаты. На рис. 12,1, а сплошной линией показана нагрузочная диаграмма подъемного механизма за один цикл. Пунктирной линией показана диаграмма частоты вращения подъемного двигателя. Работу подъемного механизма за один цикл экскава­ции можно разбить на следующие рабочие периоды: t₁ — копа­ние; t₂ — подъем груженого ковша и равновесное удержание его на определенной высоте при повороте платформы экскаватора на разгрузку; t₃— разгрузка; t₄ — равновесное состояние порож­него ковша во время поворота к месту копания после разгрузки; t₅ — опускание порожнего ковша с применением торможения.

На рис. 12.1, б представ­лены диаграммы поворотного механизма за один рабочий цикл. Здесь имеют место сле­дующие рабочие периоды: t₆ — разгон и торможение по­воротной платформы с груже­ным ковшом; t₇ — разгон и торможение поворотной плат­формы с порожним ковшом. Длительность поворотных дви­жений составляет до 70—80 % общего времени цикла, т. е. определяет собой в значи­тельной мере производитель­ность экскаватора.

На рис. 12.1, в представ­лены диаграммы напорного механизма за один цикл. Ра­бочий цикл привода напора состоит из следующих перио­дов: t₈ — напор при копании; t₉ — возврат рукояти с груже­ным ковшом назад; t₁₀— пе­ремещение рукояти с груже­ным ковшом вперед при пово­роте на разгрузку; t₁₁ — вытя­гивание рукояти при подаче порожнего ковша в забой.

Приведенные нагрузочные диаграммы основных рабочих ме­ханизмов построены на основании теоретических расчетов. Хотя действительная нагрузка механизмов несколько отличается от теоретической (расчетной) вследствие изменения сопротивления грунта и других факторов, общий характер нагрузочных диа­грамм остается примерно таким же, какой представлен на рис. 12.1.

Как видно из рассмотренных выше диаграмм, режим работы основных механизмов одноковшового экскаватора характери­зуется частыми пусками и реверсами, быстрыми разгонами и остановками. Частота включений подъемного двигателя доходит до 300 в час, а напорного и поворотного — до 700 в час.

Работа драглайна характеризуется следующими друг за дру­гом процессами: черпанием (заполнением ковша грунтом), подъемом груженого ковша и поворотом к месту разгрузки, раз­грузкой ковша, поворотом к забою и установкой ковша для нового черпания.

На рис. 12.2 представлены теоретические (расчетные) нагру­зочные и скоростные характеристики приводов рабочих меха­низмов драглайна.

Работу механизма тяги (рис. 12.2, а) можно разбить на сле­дующие основные рабочие периоды: t₁ — внедрение ковша в грунт; t₂ — черпание.

На рис. 12,2, б представлены диаграммы подъемного меха­низма. Здесь имеют место следующие рабочие периоды: t₃ — от­рыв ковша от грунта; t₄ — подъем ковша с одновременным пово­ротом экскаватора на разгрузку; U — разгрузка ковша; t₆ — опу­скание порожнего ковша с одновременным поворотом к забою.

Для поворотного механизма (рис. 12.2, в) следует выделить два основных периода: t₇ — поворот груженого ковша к месту разгрузки; t₈ — поворот порожнего ковша к месту черпания.

Как и для экскаватора с оборудованием механической ло­паты, режим работы основных механизмов драглайна характе­ризуется быстрыми разгонами и остановками, частыми пусками и реверсами.

12.3. Требования, предъявляемые к электроприводам и электрооборудованию экскаваторов

Работа электроприводов основных рабочих механизмов экскава­тора характеризуется большой частотой включений, резкими из­менениями нагрузки, частыми изменениями направления враще­ния (реверсированием). Поэтому к электроприводу экскаватора предъявляются особые требования. Например, наиболее харак­терной особенностью работы механизма напора, как иногда и механизма подъема, является возможность его вынужденной остановки во время работы в случае встречи ковша с непреодо­лимым препятствием. Такой режим называется работой на упор или стопорением. Следовательно, для обеспечения надежной и безаварийной работы главного рабочего механизма требуются снижение момента (нагрузки) до допускаемых пределов при стопорении и «мягкость» характеристики его приводного двига­теля, с тем, чтобы частота вращения двигателя могла быть авто­матически замедлена (иногда до нуля) при достаточно большом увеличении нагрузки. Это требование является основным и предъявляется к электроприводам главных механизмов экска­ваторов.

С другой стороны, для сохранения нормальной производи­тельности экскаватора частота вращения двигателя с увеличе­нием момента должна мало меняться.

Автоматическое изменение частоты вращения двигателя в за­висимости от момента осуществляется по так называемой экска­ваторной характеристике.

В экскаваторных характеристиках с увеличением нагрузки угловая скорость двигателя вначале изменяется мало, а затем резко падает. При достижении максимально допустимого для данного механизма момента двигатель останавливается. Такой режим работы предохраняет двигатели главных приводов от пе­регрузок, толчков и ударов.

Форма экскаваторной характеристики электропривода дол­жна быть такой, чтобы при рабочих нагрузках обеспечивалась высокая производительность механизма с ограничением момента допустимыми значениями при возможных перегрузках (рис. 12.3).

Привод, обладающий характери­стикой 1, обеспечит наибольшую про­изводительность машины. Однако ха­рактеристика 2 обеспечивает возмож­ность своевременно снизить нагрузку механизма при перегрузке двигателя и избежать полной остановки.

Качество экскаваторной характери­стики определяется коэффициентом за­полнения, который представляет собой отношение площади, образованной кривойω = f(M)

площади прямоугольника Оω₀аМ_ст. Чем ближе этот коэффициент к едини­це, тем большую производительность экскаватора может обеспечить привод. Следует также отметить особые ус­ловия, в которых протекает работа приводов экскаватора. Экскаваторы работают на открытом воздухе, по­этому в кузов и корпуса отдельных машин и аппаратов прони­кают пыль, грязь, влага и снег. Экскаватор, а следовательно, и все смонтированное на нем оборудование подвергаются меха­ническим воздействиям, возникающим вследствие различных препятствий при копании грунта, колебаний и вибраций отдель­ных частей экскаватора.

Вследствие тяжелых условий работы экскаватора должны быть предъявлены особые требования к механической и элек­трической прочности и конструктивной надежности всего элек­трического оборудования.

В заключение следует отметить, что двигатели, устанавли­ваемые на экскаваторах, предназначены для повторно-кратко­временного режима работы, т. е. для работы с частым чередо­ванием периодов включения и выключения. Однако обычные крановые двигатели, рассчитанные на работу в повторно-крат­ковременных режимах, имеют слишком малую нормированную продолжительность включения (15, 25 и 40 %). В условиях ра­боты одноковшовых экскаваторов продолжительность включения двигателей бывает значительно выше (50—80 %), поэтому для экскаваторов изготовляют двигатели специального экскаватор­ного типа, отличающиеся особенно высокой электрической и ме­ханической прочностью.