CN103615026A - 变频调速的矿用电铲挖掘作业系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用变频调速的电铲挖掘作业系统及控制方法，该系统包括一推压电机，用于控制电铲的推压机构动作；一提升电机，用于控制电铲的提升机构动作；一提升电机变频器，用于控制该提升电机；一推压电机变频器，用于控制该推压电机；一PLC，与操作台、变频器连接，用于根据操作台的指令，控制该推压电机变频器以及该提升电机变频器。本发明矿用变频调速的电铲挖掘作业系统及其控制方法，挖掘作业时，根据提升转速给定值和实际转速的差值对推压电机的输出力矩进行控制，使得电铲在挖掘出现堵转趋势时及时减少推压力矩及推压机构运行方向，达到有效地控制挖掘阻力的目的，从而提高电铲的工作效率。

Description

变频调速的矿用电铲挖掘作业系统及控制方法

技术领域

本发明涉及矿用电铲，尤其涉及一种变频调速的矿用电铲挖掘作业系统及控制方法。

背景技术

矿用电铲主要用于露天矿的开采，类型为正铲。矿用电铲的工作特点是电铲由下向上强制切土，挖掘力大，工作效率高，但在遇到较大阻力时，提升转速就会大幅下降，此种现象一般称为“堵转现象”。这时就需电铲司机操作控制器，控制推压停止或推压杆回抽，才能完成装车，由于存在这种“停滞以及回抽”的操作，使得装车动作不连贯，司机的劳动强度较大，且影响电铲的效率。

现有的矿用电铲虽然在机械设计时充分考虑了提升力和推压力的配合，但它只是按特定位置以及特定载荷得出的结果，在不同的工况和环境下，这种按特定位置以及特定载荷设计的电铲，不适用所有工况，使得电铲的工作过程依然存在上述问题。

发明内容

本发明要解决现有的矿用电铲的堵转问题。

本发明的变频调速的矿用电铲挖掘作业系统，一推压电机，用于控制电铲的推压机构动作；一提升电机，用户控制电铲的提升机构动作；一提升电机变频器，用于控制该提升电机；一推压电机变频器，用于控制该推压电机；一PLC，与操作台以及变频器连接，用于根据操作台的指令，控制该推压电机变频器以及该提升电机变频器；其中，该推压电机变频器控制该推压电机的输出力矩，该推压电机的输出力矩的限幅值为：

T_推压限幅=T_额定    V_推给≤0或V_提给≤0  (2)

其中，V_提给为该提升电机的预设转速，V_提给>0时提升向上；V_推给为该推压电机的预设转速，V_推给>0时推压向前；V_提实为提升电机的实际转速，V_提额定为该提升电机的额定转速，T_推压限幅为推压电机的输出力矩限幅值，T_额定为推压电机的额定力矩，K₁与K₂为大于0的比例系数。

本发明变频调速的矿用电铲挖掘作业系统的一实施例，其中，该PLC能够获得该V_提给以及V_提实，并计算该T_推压限幅，并根据该T_推压限幅的计算结果，向该推压电机变频器发送控制指令，以控制该推压电机的输出力矩。

本发明变频调速的矿用电铲挖掘作业系统的一实施例，其中，还包括回转电机，用于控制电铲的回转机构动作；回转电机变频器，用于控制该回转电机。

本发明变频调速的矿用电铲挖掘作业系统的一实施例，其中，该推压电机变频器控制该推压电机的转速，该推压电机变频器转速实际给定值V推变给为：

V_推变给=0～-100%V_额定，V_提给>0，V_推给>0，T_推压限幅<10%  (3)

V_推变给=V_推给，  V_推给≤0或V_提给≤0或T_推压限幅≥10%  (4)

其中，上述公式(3)中0～-100%V_额定表示V_推变给在0～-100%V_额定范围内由该PLC进行一具体值的设定。

本发明变频调速的矿用电铲挖掘作业系统的一实施例，其中，1>K₁>0.4且1>K₂>0.6，挖掘物料硬度越大，K₁与K₂的值越大。

本发明变频调速的矿用电铲挖掘作业系统的一实施例，其中，该电铲向前推压时，该提升电机速度差控制该推压电机的推压力矩限幅。

本发明还提供了一种变频调速的矿用电铲挖掘作业的控制方法，其中包括：通过推压电机控制电铲推压动作；通过提升电机控制电铲提升动作；通过推压电机变频器控制推压电机；通过提升电机变频器控制提升电机；其中，控制该推压电机的输出力矩为：

T_推压限幅=T_额定    V_推给≤0或V_提给≤0  (2)

其中，V_提给为该提升电机的预设转速，V_提给>0时提升向上；V_推给为该推压电机的预设转速，V_推给>0时推压向前；V_提实为提升电机的实际转速，V_提额定为该提升电机的额定转速，T_推压限幅为推压电机的输出力矩限幅值，T_额定为推压电机的额定力矩，K₁与K₂为大于0的比例系数。

本发明变频调速的矿用电铲挖掘作业的控制方法的一实施例，其中，通过PLC分别控制该推压电机变频器以及该提升电机变频器。

本发明变频调速的矿用电铲挖掘作业的控制方法的一实施例，其中，通过该PLC获得该V_提给以及V_提实，并计算该T_推压限幅，并根据该T_推压限幅的计算结果，并向该推压电机变频器发送控制指令，以控制该推压电机的输出力矩。

本发明变频调速的矿用电铲挖掘作业的控制方法的一实施例，其中，通过该推压电机变频器控制该推压电机的转速，该推压电机变频器转速实际给定值V_推变给为：

V_推变给=0～-100%V_额定，V_提给>0，V_推给>0，T_推压限幅<10%  (3)

V_推变给=V_推给，  V_推给≤0或V_提给≤0或T_推压限幅≥10%  (4)

其中，上述公式(3)中0～-100%V_额定表示V_推变给在0～-100%V_额定范围内由该PLC进行一具体值的设定。

本发明变频调速的矿用电铲挖掘作业的控制方法的一实施例，其中，，1>K₁>0.4且1>K₂>0.6，挖掘物料硬度越大，K₁与K₂的值越大。

本发明通过挖掘作业时，根据提升转速给定值和实际转速的差值对推压电机的输出力矩进行控制，使得电铲在挖掘出现堵转趋势时及时减少推压力矩，达到有效地控制挖掘阻力的目的，从而使提升机构形不成堵转状态，这样挖掘动作将能够连贯，从而提高了电铲的工作效率。

附图说明

图1所示为本发明变频调速的矿用电铲挖掘作业系统一实施例的模块图；

图2所示为电铲挖掘时的受力分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1所示为本发明变频调速的矿用电铲挖掘作业系统一实施例的模块图，如图1所示，该电铲挖掘作业系统包括推压电机7、回转电机6、提升电机8、推压电机变频器4、回转电机变频器3、提升电机变频器5以及可编程逻辑控制器2（Programmable Logic Controller，简称PLC）。

进一步参考图1，PLC2分别连接推压电机变频器4、回转电机变频器3以及提升电机变频器5。推压电机变频器4连接推压电机7，并控制推压电机7运行。回转电机变频器3连接回转电机6，并控制回转电机6运行。提升电机变频器5连接提升电机8，并控制提升电机8运行。PLC2与操作台1连接，PLC2根据操作台1的指令，以控制推压电机变频器4、提升电机变频器5以及回转电机变频器3，进而分别控制推压电机7、回转电机6以及提升电机8运行。

其中，推压电机变频器4控制推压电机7的输出力矩，一般电铲可以在向前推压时以及挖掘时，通过推压电机变频器4控制推压电机7的输出力矩，最大输出力矩即为推压力矩限幅T_推压限幅，其计算方式为：

T_推压限幅=T_额定    V_推给≤0或V_提给≤0  (2)

其中，V_提给为提升电机的预设转速，V_提给>0时提升向上；V_推给为推压电机的预设转速，V_推给>0时推压向前；V_提实为提升电机的实际转速，V_提额定为提升电机的额定转速，T_推压限幅为推压电机的输出力矩限幅值，T_额定为推压电机的额定力矩，K₁与K₂为大于0的比例系数。

即在电铲工作过程中，推压电机变频器4调整推压电机7的推压力矩限幅T_推压限幅，始终通过上式计算的推压力矩限幅值进行调整。

对于较佳情况，上式还可以满足V_推给>0、V_提给>0的情况下使用，其中，V_提给为提升电机8的预设转速。其中，参数K₁与K₂一般可以由操作人员根据物料硬度进行调整，一般1>K₁>0.4且1>K₂>0.6，挖掘物硬度越大，K₁与K₂的值越大，进行相应调整，例如，K₁一般最大取1，K₂一般取0.85。

图2所示为电铲挖掘时的受力分析图，参考图1及图2，简述本实施例推压力矩限幅T_推压限幅的计算方法。电铲在挖掘时的受力可以简化为四个，提升力F_提升（由提升钢丝绳产生，方向与提升钢丝绳一致）、推压力F_推压（推压齿条产生，方向与斗杆一致）、物料的重力F_物料（垂直向下）及切削阻力F_切削阻力。一般是通过提升力F_提升、推压力F_推压以及物料的重力F_物料的合力，克服切削阻力F_切削阻力，完成挖掘。如果四个力的合力向上，则电铲提升，如果四个力的合力向下，则电铲下放，提升力F_提升是设备固有不变的，物料的重力F_物料是作业必须保证的，因此，只有控制推压力F_推压及切削阻力F_切削阻力的大小，才可以控制电铲所受力的方向，切削阻力F_切削阻力的大小可以通过控制电铲在物料中所埋得深度实现。在挖掘过程中，保证合力F_合力始终向上，电铲就可以连续向上运动而不出现“堵转”现象。因此，采用上式（1），通过计算提升机构的预设转速V_提给减去提升机构的实际转速V_提实的差值，将差值与V_提额定之比，乘以参数后，调整推压力矩。如此，就使得输出的推压限幅力矩T_推压限幅能够随切削阻力F_切削阻力的变化而相应变化，以使得合力F_合力始终向上。

进一步参照图1，本发明的推压电机7的推压限幅力矩T_推压限幅由推压电机变频器4进行控制，同时也由PLC2控制。使用推压电机变频器4调整推压电机7的推压限幅力矩T_推压限幅，可以通过推压电机变频器4内部的处理器根据V_提给、V_提实、V_提额定、K₁以及K₂等参数，计算并调整推压电机7的推压限幅力矩T_推压限幅。使用PLC2调整推压电机7的推压限幅力矩T_推压限幅，可以通过获得V_提给以及V_提实，根据V_提给、V_提实、V_提额定、K₁以及K₂等参数，并计算T_推压限幅，并根据T_推压限幅的计算结果，向推压电机变频器4发送控制指令，以控制推压电机7的推压力矩限幅。

下面进一步叙述另一种较佳的实施方式，在上述实施例的基础上，可以进一步对推压电机7进行优化控制，当上式（1）中计算得到的T_推压限幅小于10%时，此时如果依然出现“堵转”现象，就需要进一步调整电铲的推压力方向，以减小“堵转”现象的影响。也就是，推压电机7反向运行，推压电机7的转速为负值。于是，推压电机变频器4的转速实际给定值V_推变给为：

V_推变给=0～-100%V_额定，V_提给>0，V_推给>0，T_推压限幅<10%  (3)

V_推变给=V_推给，  V_推给≤0或V_提给≤0或T_推压限幅≥10%  (4)

其中，上述公式(3)中0～-100%V_额定表示V_推变给在0～-100%V_额定范围内由该PLC进行一具体值的设定。

其中，对于其他实施方式，当T_推压限幅小于10%时，是否进行后续的自动调整电铲的推压方向，也可以通过操作平台1由工作人员进行手动选择。

本发明还提供一种变频调速的矿用电铲挖掘作业的控制方法，利用图1所示的变频调速的矿用电铲挖掘作业系统实现，该方法通过推压电机7控制电铲的推压机构动作；通过提升电机8控制电铲的提升机构动作；通过推压电机变频器4控制推压电机7转速；通过提升电机变频器5控制提升电机8转速；通过PLC分别控制推压电机变频器4以及提升电机变频器5；保持推压电机7的推压力矩限幅，输出力矩即为推压力矩限幅T_推压限幅，其计算方式为：

T_推压限幅=T_额定    V_推给≤0或V_提给≤0  (2)

其中，V_提给为提升电机的预设转速，V_提给>0时提升向上；V_推给为推压电机的预设转速，V_推给>0时推压向前；V_提实为提升电机的实际转速，V_提额定为提升电机的额定转速，T_推压限幅为推压电机的输出力矩限幅值，T_额定为推压电机的额定力矩，K₁与K₂为大于0的比例系数。

即可以通过该PLC获得V_提给以及V_提实，并计算T_推压限幅，并根据T_推压限幅的计算结果，并向该推压电机变频器发送控制指令，以控制该推压电机的输出力矩。

在电铲工作过程中，推压电机变频器4调整推压电机7的推压力矩限幅T_推压限幅，始终通过上式计算的推压力矩限幅值进行调整。

对于较佳情况，上式还可以满足V_推给>0、V_提给>0，t>2秒的情况下使用，其中，V_推给为推压机构的预设转速。其中，参数K₁与K₂一般可以由操作人员根据物料硬度进行调整，一般1>K₁>0.4且1>K₂>0.6，挖掘物硬度越大，K₁与K₂的值越大，进行相应调整，例如，K₁一般取1，K₂一般取0.85。

通过该推压电机变频器控制该推压电机的转速，该推压电机变频器转速实际给定值V_推变给为：

V_推变给=0～-100%V_额定，V_提给>0，V_推给>0，T_推压限幅<10%  (3)

V_推变给=V_推给，  V_推给≤0或V_提给≤0或T_推压限幅≥10%  (4)

其中，上述公式(3)中0～-100%V_额定表示V_推变给在0～-100%V_额定范围内由该PLC进行一具体值的设定，V_额定为推压电机的额定转速。

其中，上述实施例所述的推压限幅力矩T_推压限幅实际上是一种估算值，是为更好进行电铲工作，而并非一种严格的理论值，所述领域技术人员可以对T_推压限幅值以及上述实施例的各参数进行灵活取值，以达到本发明的目的。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案，在提升和推压机构单独动作及电铲回抽时不对推压机构进行限制力矩和方向的控制；挖掘作业时，根据提升转速给定值和实际转速的差值对推压力矩进行控制，使得电铲在挖掘出现堵转趋势时及时减少推压力矩，达到有效地控制挖掘阻力的目的，当电铲埋在物料中时，及时控制推压机构反向，从而使提升机构形不成堵转状态，这样挖掘动作将能够连贯，从而提高了电铲的工作效率。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在所附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为所附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种变频调速的矿用电铲挖掘作业系统，其特征在于，包括：

一推压电机，用于控制电铲的推压机构动作；

一提升电机，控制电铲的提升机构动作；

一提升电机变频器，用于控制该提升电机；

一推压电机变频器，用于控制该推压电机；

一PLC，与一操作台以及该提升电机变频器和该推压电机变频器连接，用于根据该操作台的指令，控制该推压电机变频器以及该提升电机变频器；

其中，该推压电机变频器控制该推压电机的输出力矩，该推压电机的输出力矩的限幅值为：

T_推压限幅=T_额定    V_推给≤0或V_提给≤0  (2)

其中，V_提给为该提升电机的预设转速，V_提给>0时提升向上；V_推给为该推压电机的预设转速，V_推给>0时推压向前；V_提实为该提升电机的实际转速，V_提额定为该提升电机的额定转速，T_推压限幅为该推压电机的输出力矩限幅值，T_额定为该推压电机的额定力矩，K₁与K₂为大于0的比例系数。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该PLC能够获得该V_提给以及V_提实，并计算该T_推压限幅，并根据该T_推压限幅的计算结果，向该推压电机变频器发送控制指令，以控制该推压电机的输出力矩。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

回转电机，用于控制电铲的回转机构动作；

回转电机变频器，用于控制该回转电机。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，该推压电机变频器控制该推压电机的转速，该推压电机变频器转速实际给定值V_推变给为：

V_推变给=0～-100%V_额定，V_提给>0，V_推给>0，T_推压限幅<10%  (3)

V_推变给=V_推给，  V_推给≤0或V_提给≤0或T_推压限幅≥10%  (4)

其中，上述公式(3)中0～-100%V_额定表示V_推变给在0～-100%V_额定范围内由该PLC进行一具体值的设定。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，1>K₁>0.4且1>K₂>0.6，挖掘物料硬度越大，K₁与K₂的值越大。

6.一种变频调速的矿用电铲挖掘作业的控制方法，其特征在于，包括：

通过一推压电机控制电铲推压动作；

通过一提升电机控制电铲提升动作；

通过一推压电机变频器控制该推压电机；

通过一提升电机变频器控制该提升电机；

其中，控制该推压电机的输出力矩为：

T_推压限幅=T_额定    V_推给≤0或V_提给≤0  (2)

其中，V_提给为该提升电机的预设转速，V_提给>0时提升向上；V_推给为该推压电机的预设转速，V_推给>0时推压向前；V_提实为该提升电机的实际转速，V_提额定为该提升电机的额定转速，T_推压限幅为该推压电机的输出力矩限幅值，T_额定为该推压电机的额定力矩，K₁与K₂为大于0的比例系数。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，通过PLC分别控制该推压电机变频器以及该提升电机变频器。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，通过该PLC获得该V_提给以及V_提实，并计算该T_推压限幅，并根据该T_推压限幅的计算结果，并向该推压电机变频器发送控制指令，以控制该推压电机的输出力矩。

9.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，通过该推压电机变频器控制该推压电机的转速，该推压电机变频器转速实际给定值V_推变给为：

V_推变给=0～-100%V_额定，V_提给>0，V_推给>0，T_推压限幅<10%  (3)

V_推变给=V_推给，  V_推给≤0或V_提给≤0或T_推压限幅≥10%  (4)

其中，上述公式(3)中0～-100%V_额定表示V_推变给在0～-100%V_额定范围内由该PLC进行一具体值的设定。

10.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，1>K₁>0.4且1>K₂>0.6，挖掘物料硬度越大，K₁与K₂的值越大。

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