Устройство управления исполнительным органом горной машины, горная машина, система управления горной машиной и носитель информации

Изобретение относится к гидравлическим средствам управления работой горных машин. Устройство содержит гидравлический блок 3, отсек 4 для средств управления, гидрораспределитель 5, предназначенный для соединения с исполнительным органом, крышку 6, блок 7 управления устройством. Гидравлический блок 3 и отсек 4 выполнены в виде моноблока. Технический результат: повышение взрывобезопасности, обеспечение самодиагностики. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к средствам управления работой горных машин, в частности к гидравлическим средствам управления исполнительными органами очистных, проходческих комбайнов и комбайнов других типов, а также непосредственно к горным машинам и системам управления ими.

Уровень техники

Из уровня техники известно большое количество средств и систем управления рабочими органами горных машин.

В качестве наиболее близкого аналога выбрано известное устройство управления горной машиной, содержащее гидравлический блок, механически присоединенный к нему отсек для размещения средств управления текучей средой и электрических элементов, а также блока управления работой устройства (WO 2016/155821 A1, опубликовано 06.10.2016). Недостатком данного известного средства является размещение гидравлических и электрических элементов в одном пространстве и недостаточная взрывобезопасность.

Сущность изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание взрывобезопасного и многофункционального средства управления исполнительным органом горной машины.

В ходе решения данной задачи достигается следующая совокупность технических результатов: повышение взрывобезопасности устройства за счет его выполнения в виде моноблока, а также за счет конструктивного разделения гидравлических и электрических элементов и размещения последних в изолированном от окружающей среды и других компонентов пространстве; повышение ремонтопригодности за счет возможности установки или замены гидравлических элементов, не затрагивая электрические элементы, и наоборот; обеспечение устройств функциями чувствительности к нагрузке, самодиагностики гидрораспределительных компонентов и обратной связью о положении исполнительного органа.

Указанные выше технические результаты достигаются тем, что устройство управления исполнительным органом горной машины содержит гидравлический блок и отсек для средств управления, по меньшей мере, один предназначенный для соединения с исполнительным органом гидрораспределитель, крышку, блок управления устройством;

- упомянутые гидравлический блок и отсек для средств управления выполнены в виде моноблока;

- упомянутый гидрораспределитель установлен в упомянутом гидравлическом блоке, в котором выполнены, по меньшей мере, одно впускное и одно выпускное отверстия, соединенные, по меньшей мере, одним каналом для текучей среды;

- в упомянутом отсеке размещено средство управления упомянутым гидрораспределителем, соединенное с размещенным здесь же упомянутым блоком управления;

- упомянутая крышка закрывает упомянутый отсек, предотвращая его сообщение с внешней средой.

Указанные выше технические результаты достигаются также тем, что устройство содержит, по меньшей мере, один блокирующий клапан, по меньшей мере, один дополнительный клапан и средства управления ими;

- упомянутый блокирующий клапан предназначен для предотвращения подачи текучей среды на упомянутый гидрораспределитель;

упомянутый дополнительный клапан предназначен для установки величины рабочего давления гидрораспределителя;

- упомянутые средства управления клапанами размещены в упомянутом отсеке.

Указанные выше технические результаты достигаются также тем, что упомянутый гидравлический блок со стороны, противоположной упомянутому отсеку, содержит отверстия для установки упомянутых гидрораспределителя и блокирующего клапана, при этом упомянутый гидрораспределитель выполнен в виде золотникового клапана, а упомянутый блокирующий клапан выполнен в виде логического элемента золотникового типа.

Указанные выше технические результаты достигаются также тем, что устройство содержит плиту, прикрепленную к упомянутому гидравлическому блоку, в которой выполнен, по меньшей мере, один канал для текучей среды, соединенный с упомянутым каналом гидравлического блока, в упомянутой плите установлен упомянутый дополнительный клапан и, по меньшей мере, один логический клапан для управления насосом.

Указанные выше технические результаты достигаются также тем, что в упомянутом отсеке расположен, по меньшей мере, один датчик давления текучей среды, по меньшей мере, один датчик положения золотника упомянутого гидрораспределителя, по меньшей мере, один датчик утечки масла, при этом все датчики соединены с упомянутым блоком управления.

Указанные выше технические результаты достигаются также тем, что упомянутый блок управления устройством выполнен в виде электронной платы или одноплатного компьютера, содержащего носитель информации, на котором записан программный продукт для управления исполнительным органом.

Указанные выше технические результаты достигаются также тем, что горная машина содержит, по меньшей мере, один исполнительный орган и устройство управления исполнительным органом, выполненное как описано выше.

Указанные выше технические результаты достигаются также тем, что горная машина снабжена средствами получения информации о положении упомянутого исполнительного органа и средствами передачи этой информации в упомянутый блок управления.

Указанные выше технические результаты достигаются также тем, что система управления горной машиной содержит, по меньшей мере, один исполнительный орган, содержащая средство управления исполнительным органом, средства получения информации о положении упомянутого исполнительного органа и средства передачи этой информации в упомянутое средство управления, отличающаяся тем, что упомянутое средство

- управления исполнительным органом выполнено в виде устройства управления, выполненное как описано выше.

Указанные выше технические результаты достигаются также тем, что носитель информации, содержащий программный продукт для управления работой устройства управления, выполненного как описано выше.

Основной отличительной особенностью устройства управления в соответствии с настоящим изобретением является то, что оно выполнено в виде моноблока с разделенными гидравлическими и электрическими элементами, при этом установка или замена основных элементов гидравлического блока не требует разборки электрического отсека и наоборот.

Перечень фигур чертежей

На Фиг. 1 показан общий вид горной машины.

На Фиг. 2 показан общий вид на устройство управления со стороны электрического отсека.

На Фиг. 3 показан вид сзади на устройство управления.

На Фиг. 4 показан вид снизу на устройство управления.

Осуществление изобретения

В ходе проведения горных работ, связанных с механическим разрушением породы, для достижения высоких показателей производительности, эффективности и безопасности необходимо решать комплекс задач по оптимальному управлению работой режущих органов. Исполнительные органы, обеспечивающие механическое разрушение породы, используются в различных типах горных машин: проходческих комбайнах, бурильных установках и т.д. Для механического разрушения породы, режущий исполнительный орган должен обладать кинематикой, обеспечивающей требуемое формообразование выработки и оптимальные параметры резания. В ходе горнопроходческих работ эксплуатационные свойства режущих органов и условия их работы постоянно меняются - инструмент затупляется, твердость и плотность породы, параметры подачи инструмента и скорость резания подвержены колебаниям. Помимо этого, горные работы часто проводятся во взрывоопасных средах. В такой ситуации необходимы специализированные средства управления движением исполнительных органов, обладающие, помимо прочего, свойствами взрывобезопасности, компактности и надежности.

Устройство в соответствии с настоящим изобретением может использоваться для управления исполнительными органами практически любого вида (фрезы, бермовые режущие устройства, дисковые резцы, буры и пр.) и в различных типах горных машин 2. В рамках настоящего изобретения понятие «исполнительный орган» и «исполнительный механизм» являются синонимами.

Устройство управления содержит гидравлический блок 3 и отсек 4 для размещения в нем электрических средств управления. Устройство содержит, по меньшей мере, один гидрораспределитель 5, предназначенный для соединения с гидравлическим силовым элементом (например, гидроцилиндром) исполнительного органа 1.

Отличительной особенностью настоящего изобретения является то, что гидравлический блок 3 и отсек 4 для средств управления выполнены в виде моноблока, как показано на Фиг. 2. Под моноблочной конструкцией понимается выполнение гидравлического блока 3 и отсека 4 за одно целое, без возможности их разъединения неразрушающими методами.

Моноблочное выполнение обеспечивает надежное разделение электрических и гидравлических элементов, а также полное изолирование электрических элементов. Устройство имеет крышку 6, закрывающую отсек 4 и предотвращающую его сообщение с внешней средой. Как показано на Фиг. 2, крышка 6 может крепиться к моноблоку винтами и иметь необходимые уплотнительные элементы. Одним из вариантов герметизирования отсека 4 может быть выполнение проточки в одной или обеих сопрягаемых поверхностях, соответственно, крышки 6 и гидравлического бока 6. В эту проточку может быть установлен уплотняющий элемент (резиновое кольцо, силикон и пр.).

На Фиг. 3 и 4 показано выполнение устройства с пятью управляющими гидрораспределителями 5, каждый из которых установлен в гидравлическом блоке 3. Количество гидрораспределителей выбирается в зависимости от количества исполнительных органов конкретной горной машины и от их рабочих функций. В случае, если исполнительный орган 1 совершает сложные пространственные перемещения в процессе работы, для управления его работой может потребоваться несколько силовых гидравлических элементов (например, гидроцилиндров) и, соответственно, такое же количество гидрораспределителей 5.

В отсеке 3 моноблока размещаются необходимые электрические и электронные средства управления гидрораспределителем 5, работа которых контролируется и управляется единым блоком 7 управления. В качестве таких средств могут использоваться датчик 10 давления текучей среды, датчик 11 положения золотника гидрораспределителя 5 и электромагнитный клапан 13 для его переключения, датчик 12 утечки масла. Данные датчики могут использоваться в различном сочетании и количестве в зависимости от условий и задач управления, при этом все они соединяются с блоком 7 управления. Данные датчики предназначены для проведения автоматического самодиагностирования технического состояния устройства. Так, с помощью этих средств измерения в любой момент времени можно определить, в каком положении находится золотник гидрораспределителя 5 и какие исполнительные органы (или механизмы) к нему подключены или от него задействованы или активированы.

Электрическая энергия подводится в отсек 4 посредством, например, взрывозащищенных герморазъемов 18. Конструкция средств подвода электрической энергии зависит от требований пыле- и взрывозащищенности, герметичности и иных эксплуатационных требований.

В гидравлическом блоке 3 выполнены, по меньшей мере, одно впускное 8 и одно выпускное 9 отверстия, соединенные, по меньшей мере, одним каналом для текучей среды (не показан). Рабочая жидкость, циркулируя по каналам, проходит через управляющий гидрораспределитель 5 и обеспечивает необходимое перемещение исполнительного органа 1 с заданными параметрами, например, посредством силового гидроцилиндра или иного подходящего средства.

Устройство управления содержит, по меньшей мере, один блокирующий клапан 14, предназначенный для предотвращения подачи текучей среды на гидрораспределитель 5. Данный клапан обеспечивает отключение гидрораспределителя 5 от рабочего давления (например, путем включения прямого перетока текучей среды от впускного отверстия 8 в выпускное отверстие 9 или путем блокировки подачи текучей среды) в следующих случаях:

- проведение диагностики устройства перед началом его работы. Это обеспечивает подачу рабочего давления на исполнительные механизмы и начало их движения только после того, как установлены безопасные условия для начала работы и диагностирована техническая исправность устройства управления;

- диагностирована неисправность устройства, например, установлена утечка масла или неисправность гидрораспределителя. В этом случае поток текучей среды посредством блокирующего клапана 14 включается на прямой переток, минуя гидрораспределитель 5, либо его подача блокируется любым известным способом.

Устройство управления также содержит, по меньшей мере, один дополнительный клапан 15, который предназначен для установки величины рабочего давления гидрораспределителя 5. Поскольку нагрузка на исполнительный орган 1 может значительно различаться в процессе работы, в разные моменты времени от него требуется различная мощность. Дополнительный клапан 15 гидравлически соединен с гидрораспределителем 5 так, что обеспечивает установку рабочего давления текучей среды требуемой величины. В случае, если устройство содержит несколько гидрораспределителей 5, целесообразно каждый из них снабдить своим дополнительным клапаном 15 или несколькими (например, двумя) дополнительными клапанами.

В зависимости от особенностей условий эксплуатации конкретных систем управления, блокирующий клапан 14 и дополнительный клапан 15 могут иметь свои собственные средства управления (переключатели положения, датчики диагностики и пр.), которые могут размещаться в отсеке 4. Настоящее изобретение предусматривает, что такие средства управления могут располагаться и за пределами отсека 4. В таком случае, в блок управления моноблока могут передаваться только управляющие сигналы. Возможность подключения внешних средств управления расширяет функциональные возможности, поскольку ограниченность объема отсека 4 в этом случае не ограничивает в количестве средств управления.

Гидравлический блок 3 со стороны, противоположной отсеку 4, содержит отверстия для установки гидрораспределителя 5 и блокирующего клапана 14, как это показано на Фиг. 3. Это позволяет осуществить их замену, не затрагивая электрические компоненты. Целесообразно гидрораспределитель 5 выполнить в виде золотникового клапана, а блокирующий клапан 14 выполнить в виде логического элемента золотникового типа.

Дополнительные клапаны 15 не являются обязательными для функционирования устройства и могут устанавливаться по необходимости. По этой причине их целесообразно установить в отдельном съемном узле. Для этой цели устройство может содержать плиту 16, прикрепленную к гидравлическому блоку 3. В этой плите выполнены каналы для текучей среды, соединяющиеся с каналами гидравлического блока 3. Текучая среда из каналов гидравлического блока 3 попадает в каналы плиты 16, проходит через дополнительные клапаны 15 и возвращается обратно в гидравлический блок. Таким образом обеспечивается гидравлическое соединение каждого дополнительного клапана 15 с соответствующим гидрораспределителем 5.

В плите также может быть установлен один или несколько логических клапанов 19 для управления производительностью насоса (не показан).

В гидравлическом блоке 3 также со стороны противоположной отсеку 4 может быть установлен компенсационный клапан 17, предназначенный для поддержания постоянного расхода текучей среды, прошедшей через гидрораспределитель 5. Если необходимо, таким компенсационным клапаном может снабжаться каждый гидрораспределитель 5. Средства управления компенсационными клапанами 17, в случае необходимости, также могут размещаться в отсеке 4.

Использование дополнительных клапанов 15, компенсационных клапанов 17 и логических клапанов 19 позволяет реализовать принцип работы «чувствительный к нагрузке» (load sensing). Гидросистема LS может быть выполнена в двух вариантах: с открытым центром и нерегулируемым насосом, и с закрытым центром и регулируемым насосом. В чувствительных к нагрузке системах управления подача и выходное давление насоса регулируются с помощью гидравлического сигнала, несущего информацию о фактической нагрузке в конкретный момент времени. Горные машины различных типов могут иметь несколько рабочих функций с гидроприводом, таких как подъем и наклон одного или нескольких исполнительных органов, управление движением самой машины и пр. и, таким образом, величина потребного потока и рабочего давления текучей среды в различные моменты времени может различаться. Как правило, исполнительные механизмы содержат линейные двигатели в форме гидравлических цилиндров.

В основе принципа системы LS лежит независимость распределения расхода между потребителями от давлений нагрузки этих потребителей, реализованная с помощью компенсаторов давления, установленных перед переменными дросселями (щелями золотников). При работе насоса мгновенное давление нагрузки служит сигналом обратной связи для управляющего устройства, которое в свою очередь, устанавливает необходимое давление насоса. Давление насоса поддерживается равным давлению нагрузки наиболее нагруженного потребителя плюс постоянное управляющее давление. С помощью компенсаторов давления поддерживается постоянный перепад давления на золотниках гидрораспределителей, что и определяет отсутствие зависимости скорости потребителя от его нагрузки. Это является основным принципом LS-системы. Насос дает расход и давление, определяемые реальной потребностью.

Поддерживается постоянный перепад давления на щели золотника, что обеспечивает постоянную величину потока на исполнительном органе.

LS система имеет пропорциональную зависимость между ходом золотника и величиной потока. В LS-системах падение давления через щель всегда поддерживается постоянным. Таким образом, существует пропорциональная зависимость между поперечным сечением открытия золотника гидрораспределителя и потоком.

В системе управления в соответствии с настоящим изобретением величина потока текучей среды на потребителя является постоянной независимо от его внешней нагрузки и имеет возможность пропорционально изменяться в зависимости от величины хода золотника, что достигается алгоритмами управления и соответствующими средствами компьютеризации.

Блок 7 управления может быть выполнен на основе программируемого промышленного контроллера в виде электронной платы или одноплатного компьютера (например, модели Pico ITX, Jrex, РС/104 и др.). Такой контроллер или компьютер должен содержать электронный носитель информации, на котором записан программный продукт, обеспечивающий управление исполнительным органом в соответствии с вышеописанным функционалом.

Предметом настоящего изобретения является также горная машина, содержащая, по меньшей мере, один исполнительный орган 1 и устройство управления исполнительным органом, выполненное в соответствии с вышеприведенным описанием.

Горная машина может быть снабжена средствами получения информации о положении упомянутого исполнительного органа 1 и средствами передачи этой информации в блок управления. Это позволит создать полноценную обратную связь управления исполнительным органом 1 на основе прямой информации о его положении, а не только на основе косвенной информации (например, по величине давления текучей среды).

Горная машина может быть снабжена общей компьютеризированной системой управления, включающей устройство управления исполнительным органом 1, как описано выше. В такой системе управления могут содержаться средства получения информации о положении исполнительного органа 1 и средства передачи этой информации в устройство управления, как описано выше. Система управления также может содержать средства отображения визуальной информации (например, в виде диплея), средства звуковой и световой индикации и иные известные из уровня техники функции. Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы в блок управления 7 с электронного носителя загружается программа с алгоритмами управления. При включении гидравлического насоса (не показан) блокирующий клапан 14 обеспечивает либо блокировку подачи текучей среды к гидрораспределителям 5, либо подачу текучей среды от впускного отверстия 8 к выпускному отверстию 9 (прямой переток). В это время блок управления 7 получает данные от имеющихся датчиков и определяет, в каком положении находится золотник гидрораспределителя 5 (или золотник каждого из гидрораспределителей, если их несколько). Также блок управления 7 может получать дополнительную информацию о положении исполнительного органа 1 от внешних измерительных средств.

Если золотник гидрораспределителя 5 находится в нейтральном положении и отсутствуют диагностические данные о неисправностях, блокирующий клапан 14 переключается, текучая среда поступает к золотнику гидрораспределителя 5. Соответственно по сигналу от средств управления золотник гидрораспределителя 5 занимает одно из рабочих положений и текучая среда под определенным давлением начинает поступать на силовые гидроцилиндры исполнительного органа 1, приводя его в движение. Компьютерная программа управляет переключением золотников гидрораспределителей 5 в соответствии с рабочим заданием.

Если в ходе работы диагностируется неисправность гидрораспределителя 5, поломка исполнительного органа 1 или иная препятствующая безопасному функционированию машины ситуация, блокирующий клапан 14 вновь либо включает прямой переток текучей среды, либо блокирует подачу рабочей жидкости к гидрораспределителям 5, и движение исполнительного органа прекращается.

В процессе работы компенсационные клапаны 17 обеспечивают выравнивание и поддержание постоянного расхода текучей среды, а дополнительны клапаны 15 и логические клапаны 19 регулируют параметры работы гидравлического насоса в зависимости от фактической рабочей нагрузки на исполнительном органе 1.

Таким образом, заявленные устройства, в соответствии с изобретением, обеспечивают взрывобезопасность устройств и систем управления горными машинами, а также самих горных машин, и эффективную самодиагностику и управление на основе чувствительности к нагрузке.

1. Устройство управления исполнительным органом горной машины, содержащее гидравлический блок и отсек для средств управления, по меньшей мере, один предназначенный для соединения с исполнительным органом гидрораспределитель, крышку, блок управления устройством;

- упомянутые гидравлический блок и отсек для средств управления выполнены в виде моноблока;

- упомянутый гидрораспределитель установлен в упомянутом гидравлическом блоке, в котором выполнены, по меньшей мере, одно впускное и одно выпускное отверстия, соединенные, по меньшей мере, одним каналом для текучей среды;

- в упомянутом отсеке размещено средство управления упомянутым гидрораспределителем, соединенное с размещенным здесь же упомянутым блоком управления;

- упомянутая крышка закрывает упомянутый отсек, предотвращая его сообщение с внешней средой.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, один блокирующий клапан, по меньшей мере, один дополнительный клапан и средства управления ими;

- упомянутый блокирующий клапан предназначен для предотвращения подачи текучей среды на упомянутый гидрораспределитель;

- упомянутый дополнительный клапан предназначен для установки величины рабочего давления гидрораспределителя;

- упомянутые средства управления клапанами размещены в упомянутом отсеке.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что упомянутый гидравлический блок со стороны, противоположной упомянутому отсеку, содержит отверстия для установки упомянутых гидрораспределителя и блокирующего клапана, при этом упомянутый гидрораспределитель выполнен в виде золотникового клапана, а упомянутый блокирующий клапан выполнен в виде логического элемента золотникового типа.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит плиту, прикрепленную к упомянутому гидравлическому блоку, в которой выполнен, по меньшей мере, один канал для текучей среды, соединенный с упомянутым каналом гидравлического блока, в упомянутой плите установлен упомянутый дополнительный клапан и, по меньшей мере, один логический клапан для управления насосом, например, путем подачи сигнала обратной связи на механизм управления насосом.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в упомянутом отсеке расположен, по меньшей мере, один датчик давления текучей среды, по меньшей мере, один датчик положения золотника упомянутого гидрораспределителя, по меньшей мере, один датчик утечки масла, при этом все датчики соединены с упомянутым блоком управления.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упомянутый блок управления устройством выполнен в виде электронной платы или одноплатного компьютера, содержащего носитель информации, на котором записан программный продукт для управления исполнительным органом.

7. Горная машина, содержащая, по меньшей мере, один исполнительный орган и устройство управления исполнительным органом, выполненное по любому из предыдущих пунктов.

8. Горная машина по п. 7, отличающаяся тем, что снабжена средствами получения информации о положении упомянутого исполнительного органа и средствами передачи этой информации в упомянутый блок управления.

9. Система управления горной машиной, содержащей, по меньшей мере, один исполнительный орган, содержащая средство управления исполнительным органом, средства получения информации о положении упомянутого исполнительного органа и средства передачи этой информации в упомянутое средство управления, отличающаяся тем, что упомянутое средство управления исполнительным органом выполнено в виде устройства управления по любому из пп. 1-6.

10. Носитель информации, содержащий программный продукт для управления устройством управления по любому из пп. 1-6.