大型矿用挖掘机联合仿真应用研究(技术)

第一作者简介:李光(1982-),男,河北安平人,助工,本科,主要从事矿山机械技术工作,工作于太原理工大学新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室。

摘 要:研究针对大型矿用挖掘机的机械结构和变频控制系统的组成和特点;在AMESim平台下,建立了包括变频调速驱动系统和矿用挖掘机工作装置刚体模型的机-电联合仿真虚拟样机;对典型的推压-提升工况进行了仿真,并与文献中的测试数据进行对比,证明了机-电联合仿真对大型矿用挖掘机的研究分析具有重要价值

关键词:大型矿用挖掘机;联合仿真;变频控制系统;AMESim

0 引言

露天开采是国际上目前最提倡的矿产开采技术。针对固体矿物,露天开采所占比例能够达到2/3以上。在我国,“十二五”规划中,优先建立露天矿、提高露天开采的比重被纳入了国家经济发展的路线。

大型矿用挖掘机中,采用电力驱动的一类俗称“电铲”。这种挖掘机是露天开采中主要的装载设备,其造价高,使用环境恶劣。因此先进的设计方法对提前预测挖掘工况,改进优化机器具有重要意义。现有的先进设计方法中,联合仿真能够在原型设计中综合控制、动力、结构和负载等多方面因素,因此,控制系统和机械结构的联合仿真占有重要地位

[1-2]

由于电力系统分析方法相对独立,电气控制系统和机械结构的联合仿真目前十分稀少,在电铲设计中加以应用的更是缺乏

[3-4]
。因此,本文以斗容35m
3
的电铲为研究对象,分析联合仿真方法在大型矿用挖掘机上的应用方法。

1 机械结构

本文研究对象的整体结构如图1所示。

1 矿用挖掘机整体结构组成

矿用挖掘机的整体分为上车和下车两部分,两部分之间通过回转装置连接。本文研究的工作装置全部位于上车部分。工作装置的主体包括动臂、斗杆、铲斗。其中,动臂由变幅钢缆固定悬挂在上车体上,斗杆通过铰链连接在动臂上,并由安装在动臂上的电机,通过齿轮齿条装置驱动。铲斗与斗杆前端通过铰链连接,并通过提升钢缆和提升滑轮,连接在安装在车体中间的提升电机和减速器上。此外,物料的卸载通过斗底开斗装置实现。在电铲上,每个动作由至少一个电机驱动。各个动作不仅需要频繁的启制动,还要变换方向并控制电机工作在不同象限。

2 电气系统

本文研究的35m

3
型矿用挖掘机,其控制通过交-直-交型变频调速方式控制。电气系统的基本原理如图2所示

[5]
。电源的输入端为露天矿铺设电缆常用的6000V三相交流电。输入电流经过高压变压器,降至660V交流电。降压后的交流电进入整流/回馈单元,进一步整流为990V的直流电,进入公用直流母线。本文主要研究内容为工作装置的联合仿真特性,因此只进行提升系统和推压系统的仿真。根据挖掘工况设计,提升电机采用转矩主-从控制的两台电机,其中主电机采用转速控制,从电机采用力矩控制,保证两台电机的转矩相等。本文不进行同步控制的研究,故将提升电机合并为一台。

2 35m

3
电铲推压和提升机构电气系统原理

3 联合仿真建模

本文的模型全部在AMESim中建立,模型如图3所示。AMESim通常与其它软件联合

[6]
,这样增加了软件通讯的系统资源和操作难度,因此本文采用AMESim自身的不同库进行联合仿真。

其中,挖掘机的机械结构通过AmesimPlanarMechanical 库建立,电气系统的电源、整流、变频器及其控制通过Electrical Basics库和Electrical Static Conversion 库建立,电机采用Electric Motors and Drives库的电机模型,其余控制信号的处理采用Signal Control 库建立。采用AMESimPlanar Mechanical库建立机械结构,其三维状态显示通过点击AMESim中的的PLMASSEMBLY图标进入。三维显示界面如图3左上角所示。

矿用挖掘机整机AMESim模型

由于铲斗和斗杆的相对位置保持不变,所以建模时简化为一个部件。

4 仿真结果及讨论

按照上一节建立的模型,以挖掘-提升工况进行仿真。模型在空载装载下运行,不包含挖掘力和物料重量。动作模拟35m

3
级别矿用挖掘机常用的45s循环中的推压-提升动作,动作时间为16s

输入的控制信号如图4所示。仿真计算的推压动作和提升动作的速度如图5所示,其中推压动作速度为齿条直线运动速度,提升动作速度为钢缆收缆速度。推压力和提升力如图6所示,推压力是沿齿条运动方向的力,提升力是沿提升钢缆方向的拉力。

4 推压动作和提升动作控制信号曲线

5 推压和提升工作速度曲线

6 推压力和提升力曲线

仿真以推压-提升同步挖掘动作的工况进行控制,考虑到大型矿用挖掘机的机构惯性大,动作的启动和制动分别采用延迟3sS曲线进行调制,因此实际显示出的输入信号曲线如图4所示。输入信号在前9s采用推压和提升同时动作的挖掘模式,9s开始推压完成,采用提升单独动作的挖掘模式,因此提升动作加速。

5所示的推压动作,可见在提升速度到7s左右时推压动作速度开始变慢,此时对应图6的推压力开始增加,推压电机自行调整降低速度。而提升速度的曲线符合图4所给的输入信号变化。

6所示的推压力和提升力曲线,在启动阶段,由于斗杆和铲斗处于悬空位置,实际上拉着推压机构下滑,所以推压力为负值,随着推压动作的进行,机构重力在推压机构运动方向上的分力逐渐减小,在推压动作结束前,重力的拉动完全停止,推压力转为正值。由于仿真工况为空载动作,推压力的数值很小,其动作结束时的最大值为92kN,在提升动作开始后,推压力用来保持机构位置。提升力的最大值为602kN。仿真的结果基本上符合文献[5]中对35m

3
大型矿用挖掘机的测试结果。

5和图6所示的曲线虽然较为平滑,但是存在小幅的波动和运动不连惯。这是由于模型中同时考虑了动臂变幅钢缆、提升钢缆两组柔性体,另外还加入了受负载影响的变频电机模型,这些因素综合影响使计算结果更加准确,也表明了在大型矿用挖掘机虚拟样机中加入电气驱动系统进行联合仿真的重要性。

5 结论及展望

本文以AMESim为平台,建立了矿用挖掘机的机械电气系统一体化数字仿真模型。通过结果和文献的对比,证明模型的准确性。并可进一步将其应用在新机型的设计和预测中。未来可进一步建立包含全部工作装置机构的矿用挖掘机模型,进行更完整的整机仿真分析。


参考文献

[1] 吕晓林,郭世英.基于ITI-SimulationX的矿用液压挖掘机再生阀建模与仿真[J].液压气动与密封,2016,36(7):4-6.

[2] 邢永峰.基于计算机模拟的35m

3
机械式矿用挖掘机作业参数设计优化[J].煤炭技术,2014,33(9):206-208.

[3] 闫炳洋,谷立臣,涂永航,等.基于AMESim的恒压变频动力系统研究[J].液压气动与密封,2014,34(8):21-24.

[4] 邢贵平.变频调速技术在矿用大功率电铲中的应用与发展[J].科技创新与应用,2012,(9):29-30.

[5] 王清心.WK-35电铲电气三级控制系统简述[J].露天采矿技术,2013,(4):72-73.

[6] 杨鸿艺,颜滨曲,陈淑梅.基于AMESim与Simulink联合仿真的大吨位液压机主缸速度闭环控制[J].液压气动与密封,2015,(2):48-54.

[7] 袁昊.大型矿用挖掘机载荷谱及统计动力学分析[D].沈阳:东北大学,2014.

该文刊登于我刊2018年第6期

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