Системы автоматического управления взаимосвязанными электроприводами мощных экскаваторов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования 
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ

М.А. Гордеев-Бургвиц

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО 
УПРАВЛЕНИЯ ВЗАИМОСВЯЗАННЫМИ
ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ МОЩНЫХ
ЭКСКАВАТОРОВ

Москва  2017

2-å èçäàíèå (ýëåêòðîííîå)

УДК 621.879.323
ББК 32.965
          Г67
СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Г.Е. Иванченко,
академик МАИН;
доктор технических наук, профессор К.Я. Вильданов,
член-корреспондент Академии электротехнических наук

Монография рекомендована к публикации 
научно-техническим советом МГСУ

Гордеев-Бургвиц, М.А.

Г67 
 
   Системы автоматического управления взаимосвязанными электроприводами 
мощных экскаваторов [Электронный ресурс]: монография / М.А. ГордеевБургвиц ; М-во образования и  науки Росс. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. 
— 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 209 с.). — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2017. — (Библиотека научных разработок и проектов 
НИУ МГСУ). — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital 
Editions 4.5 ; экран 10".  

ISBN 978-5-7264-1534-5

    Рассмотрены способы и технические средства предотвращения тяжелых аварий 
и повышения безопасности работы мощных шагающих экскаваторов с практикой 
внедрения разработанных систем. Обоснована постановка проблемы в общем 
виде и ее связь с важными научными и практическими задачами. Описаны найденные алгоритмы управления взаимосвязанными электроприводами, способы 
управления и технические средства их реализации. Изложены схемные решения и 
примеры построения САУ электроприводами на основе получения информации о 
координатах рабочего органа драглайна. Даны результаты и анализ полевых 
испытаний изобретенных систем на действующих экскаваторах.
     Для конструкторов-разработчиков систем управления драглайнами.

УДК 621.879.323

ББК 32.965

ISBN 978-5-7264-1534-5 
© ФГБО У ВПО «МГСУ», 2014

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Системы автоматического управления взаимосвязанными электроприводами мощных экскаваторов : 
монография / М.А. Гордеев-Бургвиц ; М-во образования и  науки Росс. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — М. : Издательство МИСИ—МГСУ, 2014. — 208 с. 
— ISBN 978-5-7264-0892-7.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных 
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от 
нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 5

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 
И ОСНОВНЫЕ ПУТИ ЕГО РЕШЕНИЯ .......................................10
1.1. Предпосылки автоматизации рабочего цикла экскаваторов ..........10
1.2. Критический анализ известных систем управления 
электроприводами подъема и тяги в процессе автоматического 
транспортирования ковша драглайна ..............................................12
1.3. Критический анализ известных систем защиты от растяжки .........20
1.4. Цель, задачи и методы исследований ...............................................29

Глава 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ И СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ В ПРОЦЕССЕ 
ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ КОВША ..............................................32
2.1. Анализ способов и средств получения информации 
о положении ковша ...........................................................................32
2.1.1. Непосредственное измерение координат ковша 
с помощью датчиков угловых и линейных перемещений ....33
2.1.2. Реализация способа получения информации о положении 
ковша без непосредственного измерения его координат ....36
2.2. Разработка и исследование способов и систем управления 
электроприводами подъема и тяги в процессе 
транспортирования ковша в функции длин канатов .......................39
2.2.1. Аналоговая система с линейными датчиками ......................44
2.2.2. Аналоговая система с нелинейными датчиками ..................46
2.2.3. Цифроаналоговая система автоматического управления 
транспортированием ковша (ЦАСАУТК) ............................53
2.3. Исследование и разработка способа и системы управления 
электроприводами в режиме транспортирования ковша 
в функции нагрузок приводов ..........................................................61
2.4. Разработка системы управления электроприводами в режиме 
растяжки ковша .................................................................................68

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СИСТЕМ 
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ 
В ПРОЦЕССАХ ЗАЩИТЫ  ОТ РАСТЯЖКИ 
И ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ КОВША ..........................................77
3.1. Математическое описание систем управления 
электроприводами в режиме защиты от растяжки 
и при автоматическом транспортировании ковша ..........................78
3.1.1. Двигатели ...............................................................................79
3.1.2. Тиристорный преобразователь ..............................................80
3.1.3. Регулятор тока ........................................................................80
3.1.4. Звено ограничения ................................................................81
3.1.5. Регулятор напряжения ...........................................................81
3.1.6. Уравнение суммы длин канатов ............................................82

3.1.7. Сельсины-датчики суммы длин канатов ..............................82
3.1.8. Магнитный усилитель системы защиты 
от растяжки (УР) ....................................................................83
3.1.9. Система автоматического транспортирования ковша .........85
3.1.10. Полное уравнение САУТК и защитой от растяжки .............85
3.2. Синтез и качество переходных процессов систем 
автоматизации и защиты от растяжки ..............................................87
3.2.1. Вывод аналитического выражения верхней границы 
зоны выбора варьируемых параметров .................................99
3.2.2. Построение переходных процессов ....................................102
3.3. Исследование динамики систем управления электроприводами 
в процессе транспортирования ковша математическим 
моделированием на ЦВМ ...............................................................104
3.3.1. Исследование на ЦВМ аналоговой системы 
автоматического управления транспортированием 
ковша в функции длин канатов ...........................................104
3.3.2. Исследование на ЦВМ цифроаналоговой САУ 
транспортированием ковша (ЦАСАУТК) экскаватора 
ЭШ 75.85 ..............................................................................110
3.3.3. Исследование динамики САУТК в функции нагрузок 
приводов моделированием на ЦВМ ...................................118

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 
РАЗРАБОТАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 
ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ В ПРОЦЕССЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО 
ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ КОВША И ЗАЩИТЫ 
ОТ РАСТЯЖКИ .............................................................................126
4.1. Разработка устройства для записи траекторий движения ковша 
драглайна .........................................................................................126
4.2. Экспериментальное исследование системы защиты 
от растяжки ......................................................................................129
4.3. Экспериментальное исследование системы управления 
электроприводом тяги при автоматическом транспортировании 
ковша в функции длин канатов ......................................................138
4.4. Экспериментальное исследование системы управления 
электроприводом тяги при автоматическом транспортировании 
ковша в функции нагрузок приводов .............................................145
4.5. Технико-экономическая эффективность внедрения системы 
автоматического управления процессом транспортирования 
ковша экскаватора ЭШ 100.100 ......................................................151
4.6. Технико-экономическая эффективность внедрения системы 
защиты стрелы от растяжки на серийных экскаваторах 
ЭШ 15/90A .......................................................................................152

3АКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................153
Библиографический список .........................................................................156
ПРИЛОЖЕНИЯ ...........................................................................................173

ВВЕДЕНИЕ

«Долгосрочная программа развития угольной промышленности 
России на период до 2030 года» предусматривает рост добычи угля 
с 320 до 430 млн т. Россия располагает значительными разведанными запасами угля — 193,3 млрд т, в том числе бурого (101,2), 
каменного (85,3, в том числе коксующегося 39,8), антрацитов (6,8). 
Добыча угля ведется в 16 угольных бассейнах и в 85 муниципальных 
образованиях России (из которых 58 являются углепромышленными территориями на базе градообразующих угольных предприятий) 
общей годовой производственной мощностью около 383 млн т. 
В 2011 г. было добыто более 336 млн т угля. Это наивысший показатель в постсоветской России (1992 г. — 335,8 млн т).
Крупнейшим угледобывающим бассейном выступает Кузнецкий. Наиболее перспективными по запасам и качеству угля, состоянию инфраструктуры и горнотехническим возможностям являются, помимо предприятий Кузбасса, также разрезы КанскоАчинского бассейна, Восточной Сибири и Дальнего Востока, 
дальнейшее развитие которых позволит обеспечить основной прирост добычи угля в отрасли. В настоящее время ведется работа по 
созданию и обустройству новых центров угледобычи на базе Эльгинского (Южно-Якутский каменноугольный бассейн, Республика Саха (Якутия)), Межегейского и Элегестского (Улуг-Хемский 
угольный бассейн, Республика Тыва), Апсатского (Забайкальский 
край) месторождений. Там должны быть созданы углехимические 
и энергетические комплексы, включающие угольные разрезы, шахты, предприятия по переработке сырья и транспортную инфраструктуру.
При наиболее эффективном открытом способе добычи угля 
предусматривается широкое применение драглайнов, а также поставлена задача создания нового экскавационного оборудования — 
выемочно-погрузочных драглайнов (крайлайнов).
В настоящее время как в отечественном, так и в зарубежном 
экскаваторостроении наблюдается тенденция к созданию более 
мощных драглайнов с увеличенными габаритами стрелы и ковша, 
увеличенными рабочими скоростями и ускорениями. Естественно, 
что последнее приводит к усложнению управляющих функций оператора.

Большое значение приобретают вопросы безопасности работы 
мощных шагающих драглайнов и недопущения различных аварийных режимов: переподъема, перетяги и особенно режима растяжки 
ковша. Смысл растяжки заключается в том, что при транспортировании ковша по близким к стреле траекториям, ковш по ошибке 
машиниста может настолько приблизиться к стреле, что зайдет в 
аварийную зону растяжки ковша и автоматически, как из пращи, 
ударит по стреле. Это происходит мгновенно, и машинист обычно 
не может ничего предпринять.
Исследования ручного управления одноковшовых экскаваторов 
показали значительное недоиспользование технических возможностей экскаватора. При управлении недостаточно квалифицированным машинистом производительность экскаватора ниже на 
30…40 %, чем при управлении опытным машинистом. Утомляемость машиниста обусловливает снижение производительности на 
15…20 %. Работа в осложненных условиях (например, при близком 
к стреле отвале, в тумане, ночью) сопряжена с повышенным напряжением машиниста, который из осторожности снижает рабочие 
скорости, что уменьшает производительность до 10 %. Неквалифицированное управление обусловливает дополнительные нагрузки в рабочем оборудовании, что ведет к поломкам и авариям [l; 48]. 
Все это подтверждает необходимость решения серьезных задач по 
повышению эффективности использования одноковшовых экскаваторов [22; 25; 112], их производительности и надежности [12; 
13], уменьшению зависимости эффективности экскаватора от субъективных качеств машиниста, его психического и физиологического состояния. Необходимость решения этих задач обусловливает актуальность автоматизации управления рабочим процессом 
экскаваторов.
Исследования показывают, что наиболее значительные резервы 
повышения производительности экскаваторов заключаются в уменьшении времени транспортных перемещений ковша [48], снижении 
динамических нагрузок в узлах экскаваторов, исключении возможности возникновения аварий, приводящих к длительным простоям 
и дорогостоящим ремонтам оборудования. Автоматизация хотя бы 
одной операции из рабочего цикла драглайна содержит в себе значительные резервы повышения эффективности их использования.
При решении задачи автоматизации управления шагающим экскаватором большое значение имеет автоматизация процесса транспортирования ковша как самого продолжительного этапа рабоче

го цикла. К тому же в процессе транспортирования ковша по близким к стреле траекториям может возникнуть такая авария, как 
растяжка ковша (рис. В.1), устранение последствий которой связано с большими потерями времени и крупными затратами. Таким 
образом, автоматизация процесса транспортирования ковша должна решать двоякую задачу: 1) обеспечивать автоматическое перемещение ковша из забоя к точке разгрузки и обратно по заданным 
траекториям без вмешательства машиниста; 2) исключать потенциальную опасность возникновения аварийного режима растяжки, 
поскольку ковш будет всегда двигаться по заданным траекториям 
ниже зоны растяжки.

Рис. В.1. Авария, вызванная растяжкой ковша

Автоматическое транспортирование ковша обеспечит его движение с максимальными скоростями, в том числе и в сложных условиях работы, что способствует повышению производительности, 
а также исключает возможность возникновения аварийных режимов растяжки, саморазгрузки и столкновение с близким к стреле 
отвалом, что увеличит надежность управления.
Необходимо отметить, что система автоматизации транспортирования ковша не может полностью решить задачу защиты от растяжки, поскольку машинист может работать и в ручном режиме. 

В связи с этим решение данной задачи должно обеспечиваться отдельной самостоятельной системой защиты от растяжки.
Автоматизация процесса транспортирования ковша и решение 
задачи защиты от растяжки способствуют повышению производительности труда и исключению тяжелых аварий, а следовательно, 
имеют огромное практическое значение. Создание таких мощных 
отечественных экскаваторов, как ЭШ 100.100, ЭШ 40.85, ЭШ 75.85, 
ЭШ 100.120, ЭШ 65.100, ЭШ 25.100, ЭШ 20.90, ЭШ 15.90, обострило актуальность этих вопросов.
В связи с этим в последнее десятилетие усилия ряда организаций 
направлены на создание систем автоматизации управления драглайном. Работы в этой области посвящены главным образом исследованию и созданию систем защиты от растяжки ковша и только отдельные работы — автоматизации транспортирования ковша. 
Имеется много различных систем и устройств защиты стрелы, причем только некоторые образцы были опробованы на действующих 
экскаваторах. Однако результаты практической реализации показывают, что задача повышения надежности и упрощения эксплуатации системы защиты стрелы остается актуальной.
Большинство известных систем автоматизации процесса транспортирования ковша исследовались путем математического моделирования на аналоговых машинах, и в настоящее время нет сведений о проверке их практикой.
Необходимо отметить, что задача автоматизации транспортирования ковша является достаточно сложной, поскольку для ее 
решения необходимо найти такой способ управления, который бы 
обеспечивал синхронную работу двух приводов и отвечал предъявляемым требованиям. В известных решениях используются довольно сложные способы управления, вызывающие определенные 
трудности при их реализации, что и является одной из причин отсутствия практических результатов решения данного вопроса.
В связи с вышеуказанным нахождение легко реализуемого способа управления, его научного обоснования, исследования и построения на его основе системы управления электроприводами в 
процессе автоматического транспортирования ковша является актуальной задачей. Её решение было поручено Уралмашзаводом и 
ВНИИЭлектроприводом Московскому инженерно-строительному 
институту.
Цель настоящей работы — исследование процесса транспортирования ковша, разработка способов управления электропривода

ми, их исследование и создание на их основе научно обоснованных 
и легко реализуемых систем управления электроприводами подъема и тяги в процессе транспортирования ковша, построение надежной системы защиты стрелы от растяжки и разработка инженерной методики синтеза этих систем.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) разработка и исследование способов управления электроприводами подъема и тяги в процессе транспортирования ковша;
2) разработка систем управления электроприводами подъема и
тяги в режиме автоматического транспортирования ковша и при 
защите от растяжки;
3) исследование динамики систем управления электроприводами подъема и тяги в режимах автоматического транспортирования 
ковша и защиты от растяжки;
4) экспериментальное исследование на действующих экскаваторах устройств для автоматического управления электроприводами подъема и тяги в режимах транспортирования ковша и защиты 
от растяжки.
На основе исследований, выполненных автором в качестве ответственного исполнителя работ в Московском инженерно-строительном институте, созданы системы управления электроприводами подъема и тяги для автоматического транспортирования ковша драглайна и защиты от растяжки. Опытная эксплуатация этих 
систем подтвердила правильность лежащих в них научных и технических решений. Система защиты от растяжки поставляется в 
настоящее время серийно на все шагающие экскаваторы ПО «Уралмаш», а система автоматизации процесса транспортирования ковша внедрена в эксплуатацию на крупнейшем отечественном шагающем экскаваторе ЭШ 100.100 и заложена в техническую документацию серийных шагающих экскаваторов ПО «Уралмаш».
При разработке указанных систем ряд технических решений выполнен на уровне изобретений. К их числу относятся: «Способ 
управления электрическим приводом тяги драглайна», «Устройство 
для управления электроприводами подъема и тяги драглайна», 
«Устройство для управления электрическим приводом», «Устройство для управления приводом ковша экскаватора», «Способ управления электроприводом», «Устройство для деления электрических 
сигналов», «Устройство для записи координат траекторий движения 
ковша драглайна».

Глава 1

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 
И ОСНОВНЫЕ ПУТИ ЕГО РЕШЕНИЯ

1.1. Предпосылки автоматизации рабочего цикла 
экскаваторов

Развитие современного экскаваторостроения предполагает увеличение производительности и линейных параметров машины. 
Связанный с этим рост мощностей приводов и рабочих скоростей 
исполнительных механизмов делает управление такими машинами 
более сложным и ответственным.
Анализ работы экскаваторов показывает, что эффективность их 
использования еще недостаточно высока. Например, по данным 
комбината «Востсибуголь», фактический коэффициент использования экскаваторов составил 0,6 при 0,69 по плану, причем две трети внеплановых простоев падает на аварийные причины [46]. Недостаточное использование машин объясняется не только различиями в разрабатываемых грунтах, климатическими условиями, 
технологией ведения горных работ, но и недостаточным использованием мощностей экскаваторов. Так, статистические исследования работы экскаватора ЭШ 25.100, проведенные в тресте «Орджоникидземарганец», показали, что минимальная длительность рабочего цикла 68 с при паспортном значении 65…70 с была 
достигнута лишь в 6 % всего числа циклов [33].
Управление современным экскаватором считается напряженным физическим трудом и требует от машиниста, которому приходится практически мгновенно оценивать изменение условий 
работы, одновременно управлять тремя координатами, исключать 
аварийные режимы и обеспечивать высокую производительность 
труда, а также внимания и значительных затрат нервной и мышечной энергии [34; 35; 49; 50; 110].
Исследования показывают, что в этих условиях естественным 
следствием является зависимость эффективности использования 
экскаватора в сравнимых условиях от квалификации и субъективных качеств машиниста, его физического и психологического состояния.

Исследования ручного управления одноковшовым экскаватором 
[14; 21; 48; 69; 49; 21] показывают, что оно, как правило, не обеспечивает оптимального управления, приводит к снижению производительности машины и возникновению ударных нагрузок в 
отдельных узлах конструкции (прежде всего в канатах и приводах). 
Комплексные исследования по выяснению влияния квалификации 
машинистов на показатели работы драглайнов проводились в 
МИСИ, и их результаты показали имеющиеся резервы повышения 
производительности и увеличения долговечности экскаваторов 
практически на всех операциях цикла экскавации. В частности, 
эти резервы заключаются в уменьшении переключений командоаппаратов, работе на более высоких механических характеристиках 
и с максимальными скоростями.
В Пермском политехническом институте был проведен цикл 
инженерно-психологических исследований, относящихся к вопросам автоматизации некоторых режимов одноковшовых экскаваторов на аналогово-цифровом вычислительном комплексе [48; 69; 
70]. Исследования режимов управления транспортными перемещениями ковша показали, что увеличение количества одновременно управляемых оператором координат с двух до трех влечет за собой ухудшение показателей системы, в том числе значительное 
увеличение времени управления [69].
Согласно [15; 48], увеличение количества одновременно управляемых координат с одного до трёх приводит к увеличению времени регулирования в 2…3 раза, времени сенсомоторной реакции 
машиниста от 0,38 до 0,66 с, а также суммарного перемещения органов управления (рукояток командоаппаратов) в 2…3 раза.
Полученные данные говорят о том, что у многих машинистов 
экскаватора имеется реальный резерв для сокращения длительности рабочего цикла машины и снижения нагрузок в элементах ее 
конструкции. Для использования этого резерва предлагается обучать машинистов рациональным режимам управления [3], предоставлять им дополнительную информацию о нагрузках в приводах 
как по тактильному, так и по слуховому каналам [48; 71].
Другим путем, позволяющим минимизировать влияние мастерства машинистов на показатели работы экскаватора, стала автоматизация операций его цикла [52; 103; 43].
Автоматизация управления даже одного привода позволит значительно улучшить качество управления рабочими режимами [33]. 

Это объясняется информационной разгрузкой машиниста, который 
за счет этого сможет эффективнее управлять другими приводами.
Особое значение имеет автоматизация транспортирования ковша как самого продолжительного этапа в рабочем цикле.
Зарубежные источники [115; 116] показывают, что для повышения эффективности использования одноковшовых экскаваторов 
намечаются два пути:
1) создание локальных систем автоматизации отдельных процессов рабочего цикла экскаватора;
2) облегчение ручного управления с помощью специальных
устройств.
Например, в [115] предлагается совместить управление двумя 
приводами в одной руке с помощью регулятора с одной ручкой, 
перемещающейся вдоль взаимно-пересекающихся осей управления. Однако, на наш взгляд, управление таким регулятором требует не меньшего мастерства, чем при традиционном управлении 
приводами подъема и тяги двумя рычагами.
Основой для создания систем автоматизации рабочего цикла 
драглайна являются теория автоматического управления экскаваторами и исследование динамики электромеханических систем этих 
машин, получившие развитие в трудах советских ученых МГИ, 
МЭИ, ХАДИ, МИСИ, СГИ, ДГИ, ЛВПИ, НИИТЯЖМАШ УЗТМ, 
ВНИИЭлектропривод и др.
Испытания отдельных локальных систем автоматизации процесса транспортирования ковша, разработанных на основе теоретических исследований, показывают сокращение длительности 
рабочего цикла по сравнению с ручным управлением, следовательно, их применение повышает производительность машины [44; 45; 
85].
Таким образом, создание систем автоматизации экскаваторов 
драглайнов является экономически обоснованной задачей, для решения которой имеются существенные предпосылки.

1.2. Критический анализ известных систем управления 
электроприводами подъема и тяги в процессе 
автоматического транспортирования ковша драглайна

В настоящее время из литературных источников известно несколько систем автоматизации процесса транспортирования ковша. 
В целях создания работоспособной и не сложной в эксплуатации