DE4236519A1 - Verfahren und Einrichtung zur Überlastsicherung von Kettenantrieben, insbesondere für kettengezogene Kohlenhobel u. dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überlastsicherung von leistungsstarken Kettenantrieben, insbesondere für ket­ tengezogene Kohlenhobel und Kettenförderer, wobei mit Hilfe eines Meßfühlers, der ein vom elektrischen Antriebsmotor des Kettenantriebs angetriebenes Meßdrehteil berührungslos abtastet, und einer die Meßimpulse des Meßfühlers verarbei­ tenden elektronischen Auswerte- und Steuereinheit die drehmo­ mentabhängige Ist-Drehzahl des Kettenantriebs bzw. der Mo­ mentanwert der Drehzahländerung periodisch ermittelt und im Wege eines Soll-Istwertvergleichs zur Überlastschaltung der Überlastkupplung genutzt wird. Ferner ist die Erfindung auf eine zur Verfahrensdurchführung geeignete Einrichtung gerich­ tet.

Bei den im Bergbaueinsatz befindlichen Hobelanlagen werden bekanntlich als Hobelantriebe leistungsstarke Asynchron­ motoren verwendet, die über ein Untersetzungsgetriebe das auf der Getriebe-Ausgangswelle angeordnete Hobelkettenrad und über dieses die Hobelkette und damit den Hobel antreiben. Bei der Gewinnungsarbeit kann es zu Hobelblockierungen, d. h. zu einem Festlaufen des Hobels im Abbaustoß, kommen. Dies führt zu unzulässig hohen Kettenbelastungen und als Folge davon zu bleibenden Dehnungen der Hobelkette und nicht selten auch zu Kettenbrüchen. Um Kettenschäden zu vermeiden, muß bei Hobelblockierungen der Kraftfluß auf der Strecke zwischen dem Antriebsmotor und dem Hobel möglichst rasch unterbro­ chen werden. Der Lastabwurf geschieht bei bekannten Hobel­ antrieben mit Hilfe von Überlastkupplungen, die dem Ho­ belgetriebe zugeordnet sind.

Für Hobelanlagen sind Überlastgetriebe bekannt, die mit Über­ lastkupplungen, zumeist elektrohydraulisch schaltbaren Lamel­ lenkupplungen, ausgestattet sind (DE-OS 34 25 638). Bei den bekannten Überlastgetrieben wird das Lastabwurfkriterium aus einer Drehmomentmessung an einer Getriebewelle abgeleitet. Dabei werden als Drehmoment-Meßgeber Meßbolzen verwendet, die mit aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen belegt sind, deren elektrischer Widerstand sich proportional zum angreifenden Drehmoment verhält. Obwohl die bekannten Überlastgetriebe sich im Bergbaueinsatz bewährt haben, sind sie nicht frei von Nachteilen. Die mit den Dehnungsmeßstreifen belegten Meßwertgeber haben sich als unter den Einsatzbedingungen im Untertagebergbau empfindliche Bauteile herausgestellt und bilden einen die Funktionssicherheit des Überlastsystem in Frage stellenden Schwachpunkt.

Mit den Hobelantrieben vergleichbare oder ähnliche Probleme bestehen auch bei anderen leistungsstarken Kettenantrieben, z. B. bei Ketten- bzw. Kettenkratzförderern, wie sie vor allem als Strebförderer untertage eingesetzt werden, und auch bei anderen kettengezogenen Bergbau-Gewinnungsmaschinen.

Es ist bereits ein Verfahren zur Überlastsicherung von Gewin­ nungs- und Förderanlagen des Bergbaus bekannt, bei dem zur Überlastabschaltung mit Hilfe eines aus einem induktiven Näherungsschalter bestehenden Meßfühlers laufend der Drehzahl-Istwert der Antriebsmaschine gemessen wird, wobei das Abschaltsignal aus der Bedingung abgeleitet wird, daß ein bestimmter, lastabhängiger Drehzahlabfall innerhalb eines vorgegebenen Drehzahlbereichs auftritt oder eine vorgege­ bene Drehzahl-Änderungsgeschwindigkeit überschritten wird (DE-PS 32 03 820). Der Meßfühler ist hierbei einem Meßrad zugeordnet, das am Umfang aus Löchern, Permanentmagneten oder Zähnen u. dgl. bestehende Meßstellen aufweist, so daß bei jedem Vorbeilauf einer Meßstelle ein Meßimpuls am Meßfühler ausgelöst wird, der von einer elektronischen Aus­ werte- und Steuereinheit zur Bestimmung der momentanen Dreh­ geschwindigkeit bzw. der Drehzahl-Änderungsgeschwindigkeit ausgewertet wird.

Die Erfindung geht von dem vorgenannten Verfahren aus. Auf­ gabe der Erfindung ist es, ein auf dem bekannten Meßprinzip beruhendes Verfahren zu schaffen, mit dem sich ohne über­ mäßigen Bauaufwand der Überlastzustand im Betrieb zuverläs­ siger bestimmen und zu einem nahezu verzögerungsfreien Last­ abwurf durch Schaltbetätigung der Überlastkupplung heranzie­ hen. Ferner bezweckt die Erfindung eine in dieser Hinsicht zweckdienliche Einrichtung.

Die vorgenannte Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren dadurch gelöst, daß gleichzeitig mit der periodischen Drehzahlmessung die vom elektrischen Antriebsmotor im jewei­ ligen Meßintervall aufgenommene elektrische Wirkleistung ermittelt wird, wobei der Steuerrechner der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit aus den drehzahlabhängigen Meß­ impulsen des Meßfühlers und aus der jeweiligen Wirkleistungs­ aufnahme des elektrischen Antriebsmotors das Ist-Drehmoment im Meßintervall berechnet und das Schaltsignal für die Überlastkupplung nach Maßgabe des Drehmoment-Ist-Sollwert­ vergleichs liefert. Mit dieser Verfahrensweise ist eine unter den Einsatzbedingungen des Bergbaus besonders zuverlässige Überlastsicherung erreichbar, da periodisch in möglichst kleinen Zeitabständen mit Hilfe des Meßfühlers und mit Hilfe einer die elektrische Wirkleistung des Antriebsmotors erfas­ senden Meßvorrichtung das Ist-Drehmoment bestimmt und auf dem Wege eines Soll-Istwertvergleichs zur Überlastschaltung der Überlastkupplung herangezogen wird. Mit Hilfe des berührungsfrei arbeitenden Meßfühlers wird in Kombination mit der die momentane elektrische Wirkleistung des Antriebs­ motors messenden Meßvorrichtung ohne die Verwendung von Meßbolzen mit Dehnungsmeßstreifen das jeweilige Drehmoment des Antriebs zuverlässig erfaßt und zur Überlastschaltung herangezogen.

Man unterscheidet zwischen den statischen Motorkräften, d. h. dem statischen Motordrehmoment, das sich aus der Strom- bzw. Wirkleistungsaufnahme des elektrischen Asynchronmotors er­ gibt, und den dynamischen Kräften bzw. dem dynamischen Dreh­ moment, das sich aus den Schwungmassen des Asychronmotors, des Getriebes und der angetriebenen Teile, bei einer Hobelan­ lage des Hobelkörpers und der Hobelkette im Längenbereich zwischen dem Hobelkörper und dem angetriebenen Hobelketten­ rad ergibt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden perio­ disch, d. h. für jeden einzelnen Meßintervall der sich aus der elektrischen Wirkleistungsaufnahme des Elektromotors er­ gebende statische Drehmomentanteil und der sich aus der Dreh­ geschwindigkeit des Antriebs ergebende dynamische Drehmoment­ anteil mit Hilfe des elektronischen Steuerrechners als Ist- Drehmoment erfaßt und mit einem in der Auswerte- und Steuer­ elektronik vorgegebenen Drehmoment-Sollwert verglichen, wo­ bei das lastabwerfende Abschaltsignal aus der Bedingung ab­ geleitet wird, daß das vorgegebene Soll-Drehmoment nicht überschritten wird. Die Steuerung arbeitet also mit Soll-Ist­ wertvergleich des Drehmomentes.

Das Ist-Drehmoment läßt sich nach folgender, theoretisch ab­ geleiteten physikalischen Beziehung mit Hilfe des Steuerrech­ ners der Auswerte- und Steuerelektronik bestimmen:
M = F (dω/dt. P_W), wobei
dω/dt - der Momentanwert der Drehzahländerung und
P_W - die aufgenommene elektrische Wirkleistung des Antriebsmotors ist.

Aus dieser Beziehung ergibt sich, daß durch periodische Dreh­ zahlmessung in der Antriebsverbindung und durch periodische Messung der elektrischen Wirkleistung der Antriebsmaschine für jeden Meßintervall das Ist-Gesamtmoment durch den Steu­ errechner (Digitalrechner) bestimmbar ist, das bei Erreichen oder Überschreiten eines kritischen Soll-Drehmomentes zur lastab­ werfenden Betätigung der Überlastkupplung herangezogen wird.

Um eine praktisch verzögerungsfreie Lastabschaltung zu erreichen, erfolgt eine periodische Bestimmung des Ist-Dreh­ momentes in sehr kurzen Zeitabständen, vorzugsweise jeweils in einem Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Meßim­ pulsen des Meßfühlers. Kriterium für die Messung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also die kurze Zeitspanne der Impulsgabe durch zwei am rotierenden Drehmeßteil benachbarte, möglichst in dichtem Umfangsabstand zueinander angeordnete, die Meßimpulse am Meßfühler auslösende Meßstellen. Dies er­ fordert die Verwendung eines auf hohe Arbeitsgeschwindigkeit ausgelegten Meßsystems. Es empfiehlt sich daher, für die pe­ riodische Drehzahlmessung bzw. für die periodische Bestim­ mung des Momentanwertes der Drehzahländerung einen Halblei­ tersensor zu verwenden, der auf dem sogenannten Hall-Effekt beruht. Solche Hall-Sensoren sind an sich bekannt. Anderer­ seits können aber auch andere elektrische Meßfühler verwen­ det werden, auch solche in Gestalt von induktiven Näherungs­ schaltern.

Es empfiehlt sich weiterhin, das genannte Drehmeßteil so an­ zuordnen, daß es sich mit der Drehzahl des elektrischen An­ triebsmotors dreht. Es wird dabei zweckmäßig auf einer Welle im Inneren des Getriebegehäuses angeordnet, vorzugsweise auf der Getriebe-Eingangswelle. Diese Anordnung des Drehmeßteils am Getriebeeingang ist deshalb besonders vorteilhaft, weil hier das Drehmeßteil die größte Drehzahl, also eine größere Drehzahl hat als bei seiner Anordnung an anderer Getriebe­ stelle, z. B. im Getriebe-Ausgangsbereich und folglich mit zeitlich besonders großer Meßimpulsfrequenz des Meßfühlers und daher mit erhöhter Schaltgeschwindigkeit gearbeitet wer­ den kann.

Das genannte Drehmeßteil kann ein in der Antriebsverbindung zwischen Antriebsmotor und Kettenrad liegendes Getriebeteil sein. Vorzugsweise besteht es aus einem ohnehin im Getriebe vorhandenen Getriebezahnrad. Es kann aber auch aus einem nur dem Zwecke der Messung dienenden, auf einer Getriebewelle sitzenden Meßrad, vorzugsweise einem Zahnrad, bestehen. Bei Verwendung eines Zahnrades als Drehmeßteil bilden die einzel­ nen Zähne die genannten Meßstellen, da jede am Meßfühler vor­ beilaufende Zahnflanke den elektrischen Meßimpuls auslöst. Anstelle eines Zahnrades kann aber auch ein anderes Drehmeß­ teil, z. B. ein Nockenrad, eine mit Nuten am Umfang versehe­ ne Scheibe o. dgl. verwendet werden.

Die von der Auswerte- und Steuereinheit im Überlastfall elek­ trisch ansteuerbare Überlastkupplung wird zweckmäßig der Ge­ triebe-Ausgangswelle zugeordnet. Damit wird sichergestellt, daß bei Überlastschaltung der Kupplung die angetriebene Kette von den hohen Schwungmassen des Antriebsmotors und des Ge­ triebes nicht belastet wird. Für die Überlastkupplung wird im übrigen vorteilhafterweise eine über ein elektrohydrauli­ sches Schnellschaltventil schaltbare, hydraulisch lüftbare Kupplung verwendet, vorzugsweise in Gestalt einer Lamellen­ kupplung, wie dies bei Überlastgetrieben bekannt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit dem in der Zeichnung in schematischer Vereinfachung wiedergegebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Der dargestellte Kettenantrieb, der vorzugsweise den Hobel­ antrieb einer Hobelanlage bildet, besteht in seinen wesent­ lichen Teilen, wie bekannt, aus einem elektrischen Antriebs­ motor 1 in Gestalt eines Asynchronmotors und einem Getriebe 2, auf dessen Ausgangswelle 3 ein Kettenrad 4 angeordnet ist, über das die nicht-dargestellte Kette (Hobelkette) angetrie­ ben wird. Das Getriebe 2 bildet ein Untersetzungsgetriebe und ist zweckmäßig als Stirnradgetriebe ausgeführt. Dem Ge­ triebe zugeordnet ist eine Überlastkupplung 5, die sich im Getriebegehäuse des Getriebes 2 oder aber in einem Anbauge­ häuse des Getriebes 2 befindet. Vorzugsweise ist die Über­ lastkupplung 5 der Ausgangswelle 3 des Getriebes 2 zugeord­ net. Sie besteht zweckmäßig aus einer Lamellenkupplung, die im Überlastfall hydraulisch gelüftet wird. Dies erfolgt vor­ teilhafterweise mittels eines elektrohydraulischen Schnell­ schaltventils, das zweckmäßig an der Kupplung selbst ange­ ordnet wird und von einer elektronischen Auswerte- und Steu­ ereinheit 6 über eine elektrische Ansteuerleitung 7 geschal­ tet wird.

Kettenantriebe mit Überlastgetriebe der vorgenannten Art sind in verschiedenen Ausführungen bekannt, z. B. aus der DE-OS 34 25 638 oder der DE-OS 32 48 084, auf deren Offenba­ rungsinhalt hier Bezug genommen wird.

Von Bedeutung ist vor allem die Ausgestaltung des der Über­ lasterkennung dienenden Überlastsystems. Dieses weist ein im Antriebszug zwischen Antriebsmotor 1 und Kettenrad 4 an­ geordnetes Drehmeßglied 8 auf, das bei dem gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel im Inneren des Getriebes 2 auf einer Getriebe­ welle sitzt, vorzugsweise auf der Getriebe-Eingangswelle 9, so daß es im Betrieb mit der Motordrehzahl rotiert. Das Drehmeßteil 8 kann aber auch in einem Anbaugehäuse des Ge­ triebes 2 angeordnet sein. Es besteht vorzugsweise aus einem Zahnrad, dessen in gleichmäßigen Umfangsabständen angeordnete Zähne 10 Meßstellen bilden. Eine besonders einfache Ausfüh­ rung ergibt sich, wenn das der Drehmomentenerfassung dienende, als Zahnrad ausgebildete Drehmeßteil 8 ein ohnehin im Getrie­ be 2 befindliches Getriebezahnrad ist.

Dem Drehmeßteil 8 ist als Meßglied ein Meßfühler 11 zugeord­ net, der mit seinem Abtastende im Abstand von nur wenigen Millimetern zum Umfang des Drehmeßteils 8 am oder im Gehäuse des Getriebes 2 oder des das Drehmeßteil 8 aufnehmenden An­ baugehäuses feststehend, zweckmäßig jedoch leicht auswechsel­ bar, angeordnet und über eine elektrische Signalleitung 12 an die elektronische Auswerte- und Steuereinheit 6 ange­ schlossen ist. Für den Meßfühler 11 können bekannte Nähe­ rungsschalter, z. B. ein induktiver Näherungsschalter, verwen­ det werden. Mit besonderem Vorteil wird für den Meßfühler 11 aber ein auf dem Hall-Effekt beruhender Halbleitersensor verwendet.

Bei laufendem Kettenradantrieb liefert der Meßfühler 11 bei jeder an ihm vorbeilaufenden Zahnflanke der Zähne 10 des Drehmeßteils 8 einen elektrischen Meßimpuls über die Signal­ leitung 12 an die elektronische Auswerte- und Steuereinheit 6. Aus dem Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßimpulsen kann mit Hilfe eines in der Auswerte- und Steuer­ einheit 6 angeordneten elektronischen Steuerrechners (Digi­ talrechner) jeweils die momentane Drehzahl bzw. der Momentan­ wert der Drehzahländerung des Drehmeßteils 8 und damit des Antriebsmotors 1 mit hoher Genauigkeit errechnet werden.

Das gezeigte Überlastsystem weist ferner eine Meßvorrichtung 13 auf, mit deren Hilfe im Betrieb die elektrische Wirkleis­ tung des Antriebsmotors 1 erfaßt wird. Die Meßvorrichtung 13 ist über eine elektrische Signalleitung 14 an den Eingang der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit 6 angeschlos­ sen. Zur Erfassung der momentanen elektrischen Wirkleistung ist die Meßvorrichtung 13 an die elektrischen Anschlußleitun­ gen RST des aus einem Asynchronmotor bestehenden Antriebsmo­ tors 1 angeschlossen.

Im Betrieb wird somit einerseits über das aus dem Drehmeßteil 8 und dem Meßfühler 11 und andererseits aus der die momentane Wirkleistungsaufnahme des Antriebsmotors 1 messenden Meßvor­ richtung 13 das momentane Ist-Drehmoment durch den Steuer­ rechner der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit 6 er­ rechnet, dessen Größe abhängig ist vom Lastzustand des Hobel­ antriebs. Die Bestimmung des Istwert-Drehmoments erfolgt für jeden Meßintervall, der durch die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßimpulsen am Meßfühler 11 definiert ist. Durch Vergleich des jeweils errechneten Drehmoment-Ist­ wertes mit einem in der Elektronik vorgegebenen Soll-Drehmo­ ment erfolgt die Überlastabschaltung, sobald das vorgegebene Soll-Drehmoment erreicht bzw. überschritten wird. Dies ist ein Kriterium für einen kritischen Lastzustand des Kettenan­ triebs, im Extremfall für ein Blockieren der angetriebenen Kette bzw. des kettengezogenen Hobels. Bei Erreichen oder Überschreiten des Soll-Drehmomentes wird über die Ansteuer­ leitung 7 ein Schnellschaltmagnet an der Überlastkupplung 5 geschaltet, wodurch die Überlastkupplung 5 hydraulisch ge­ lüftet und folglich die antriebsmäßige Verbindung das Kettenrades 4 zu dem Antriebsmotor 11 an der Getriebe-Ausgangswelle 3 getrennt wird. Hierbei wird das Kettenrad 4 von den hohen Schwungmassen des Antriebsmotors 1 und des Getriebes 2 ge­ trennt.

Um etwaige Fertigungstoleranzen am Drehmeßteil 8 bzw. an dem es bildenden Zahnrad o. dgl. auszugleichen, wird zweckmäßig aus den Zahnabständen am Drehmeßteil ein Mittelwert bestimmt, der vom Rechner der Auswerte- und Steuereinheit 6 bei der Erfassung des momentanen Ist-Drehmomentes rechnerisch berück­ sichtigt wird, so daß die Fertigungstoleranzen rechnerisch eliminiert werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überlastsicherung von leistungsstarken Ketten­ antrieben, insbesondere für kettengezogene Kohlenhobel und Kettenförderer, wobei mit Hilfe eines Meßfühlers, der ein vom elektrischen Antriebsmotor des Kettenantriebs angetriebenes Meßdrehteil berührungslos abtastet, und einer die Meßimpulse des Meßfühlers verarbeitenden elektronischen Auswerte- und Steuereinheit die drehmomentabhängig Ist-Drehzahl des Ket­ tenantriebs bzw. der Momentanwert der Drehzahländerung perio­ disch ermittelt und im Wege eines Soll-Istwertvergleichs zur Überlastschaltung der Überlastkupplung benutzt wird, da­ durch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der periodischen Drehzahlmessung die vom elektrischen An­ triebsmotor (1) im jeweiligen Meßintervall aufgenommene elek­ trische Wirkleistung ermittelt wird, wobei der Steuerrechner der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit (6) aus den drehzahlabhängigen Meßimpulsen des Meßfühlers (11) und aus der jeweiligen Wirkleistungsaufnahme des elektrischen Antriebs­ motors (1) das Ist-Drehmoment im Meßintervall berechnet und das Schaltsignal für die Überlastkupplung (5) nach Maßgabe des Drehmoment-Ist-Sollwertvergleichs liefert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß für die periodische Drehzahlmessung als Meßfühler (11) ein auf dem Hall-Effekt beruhender Halbleitersensor ver­ wendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßintervall für die periodische Bestimmung des Ist-Drehmomentes durch die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßimpulsen des Meßfühlers (11) definiert ist.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, mit einem aus einem elektrischen Antriebsmotor und Getriebe bestehenden Kettenantrieb, mit einer Überlastkupplung, mit der im Überlastfall die An­ triebsverbindung zu dem elektrischen Antriebsmotor abschalt­ bar ist, mit einem Meßfühler, der ein vom elektrischen An­ triebsmotor angetriebenes Meßdrehteil, das über seinen Um­ fang in gleichmäßigen Abständen zueinander Meßstellen auf­ weist, berührungslos abtastet, und mit einer die elektri­ schen Meßimpulse des Meßfühlers verarbeitenden elektroni­ schen Auswerte- und Steuereinheit, die im Überlastfall die Überlastkupplung schaltet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der elektronischen Auswerte- und Steu­ ereinheit (6) eine Meßvorrichtung (13) zur Erfassung der vom elektrischen Antriebsmotor (1) im jeweiligen Meßinter­ vall aufgenommenen elektrischen Wirkleistung zugeordnet ist, und daß die elektronische Auswerte- und Steuereinheit (6) einen Steuerrechner aufweist, der aus den elektrischen Meßimpulsen des Meßfühlers (11) und aus den Meßsignalen der Meßvorrichtung (13) den Drehmoment-Istwert für den Meßintervall berechnet und die Überlastkupplung nach Maß­ gabe des Drehmoment-Soll-Istwertvergleichs schaltet.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßfühler (4) aus einem auf dem Hall-Effekt beruhenden Halbleitersensor besteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Meßdrehteil (8) auf einer Welle im inneren des Getriebes (2) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßdrehteil (8) auf der Ge­ triebe-Eingangswelle (9) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßdrehteil (8) von einem Zahnrad, vorzugsweise einem Getriebezahnrad, gebil­ det.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlastkupplung (5) aus einer über ein elektrohydraulisches Schnellschaltven­ til schaltbaren, hydraulisch lüftbaren Überlastkupplung, vorzugsweise einer Lamellenkupplung besteht.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlastkupplung (5) der Getriebe-Ausgangswelle (3) zugeordnet ist.