Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Máy xúc là thiết bị thi công và xây lắp cơ giới giữ vai trò chủ đạo trong các công tác đào đắp đất đá, san lấp mặt bằng, đào hào, mương móng, kênh thủy lợi và khai thác khoáng sản. Trong thực tiễn thi công tại Việt Nam cũng như trên thế giới, đa số máy xúc hoạt động bằng cơ cấu di chuyển bánh xích nhằm đảm bảo khả năng chịu tải trên nhiều loại địa hình đất nền phức tạp; các dòng máy xúc bánh lốp chỉ được áp dụng ở công suất nhỏ tại khu vực đô thị hoặc các công trình đòi hỏi tính cơ động cao.

Xu hướng cơ giới hóa hiện nay ghi nhận sự dịch chuyển mạnh mẽ từ các dòng máy đào dẫn động cáp truyền thống sang hệ thống dẫn động thủy lực đối với máy xúc thông thường, ngoại trừ một số thiết bị cỡ lớn phục vụ công việc chuyên biệt như máy đào gầu kéo hay gầu ngoặm. Bên cạnh đó, việc nhập khẩu và sử dụng các chủng loại máy xúc hiện đại từ các thương hiệu quốc tế (như Komatsu) đòi hỏi đội ngũ kỹ thuật phải nắm vững kết cấu cơ khí và hệ truyền động để phục vụ vận hành, bảo trì và cải tiến kỹ thuật. Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế trang bị điện cho cơ cấu nâng - hạ gầu của máy xúc, lấy đối tượng điển hình là dòng máy xúc EKG-4.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể trong đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về phân loại, cấu tạo cơ khí của máy xúc (máy xúc gầu thuận, máy xúc gầu treo trên dây) và các dạng gầu công tác.
  2. Phân tích các lực cản tác động lên gầu xúc trong quá trình đào bốc đất đá dựa trên lý thuyết cơ học môi trường đất của N. Dombrovski và Ju. Vetrov.
  3. Khảo sát đặc tính cơ, các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống truyền động điện của máy xúc một gầu và máy xúc nhiều gầu.
  4. Xây dựng và phân tích biểu đồ phụ tải tĩnh của các cơ cấu chính: cơ cấu nâng - hạ gầu, cơ cấu đẩy tay gầu và cơ cấu quay.
  5. Thiết kế và thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ trang bị điện cho cơ cấu nâng - hạ gầu máy xúc EKG-4 sử dụng hệ truyền động máy phát ba cuộn kích từ - động cơ điện một chiều (hệ F-Đ).

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống trang bị điện và truyền động của máy xúc, đi sâu vào hệ truyền động nâng hạ gầu máy xúc EKG-4. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các chế độ làm việc chu kỳ, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều trong hệ thống F-Đ và các giải pháp điều khiển, bảo vệ thiết bị khi xảy ra quá tải cơ học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên cơ học đào đất và lý thuyết truyền động điện tự động cho máy công nghiệp. Quá trình tác động tương hỗ giữa gầu xúc và đất đá được chia thành hai giai đoạn: đào đất thuần túy (làm đất bong tách khỏi nền) và đào kết hợp tích đất vào lòng gầu. Lực cản đào tiếp tuyến được tính toán theo mô hình của N. Dombrovski:

$$P_{01} = K_1 \cdot b \cdot c$$ (đối với quá trình đào và tích đất) $$P_{01} = K_2 \cdot b \cdot c$$ (đối với quá trình đào thuần túy)

Trong đó $b$ và $c$ lần lượt là chiều rộng và chiều dày của phoi cắt (vỏ bào); $K_1$ và $K_2$ là các hệ số cản đào phụ thuộc vào tính chất cơ lý của môi trường đất. Lực cản đào pháp tuyến $P_{02}$ vuông góc với quỹ đạo đào được xác định qua hệ số tỷ lệ $\varphi$:

$$P_{02} = \varphi \cdot P_{01}$$ (với $\varphi = 0,1 \div 0,45$)

Lý thuyết mở rộng của Ju. Vetrov phân tách lực cản đào tiếp tuyến $P_đ$ thành bốn thành phần vật lý:

$$P_đ = \varphi \cdot m_1 \cdot b \cdot c + 2 \cdot m_2 \cdot c^2 + 2 \cdot m_3 \cdot c + p \cdot b$$

Các thành phần này phản ánh lần lượt lực cắt trực diện có xét đến góc đào, lực cản phá vỡ đất ở hai bên hông gầu, lực ma sát trượt của đất ở thành bên và lực cản phụ do độ mòn cùn của mép lưỡi cắt.

Bảng hệ số cản đào $K_1$ và $K_2$ theo phân loại đất của N. Dombrovski được tác giả tổng hợp làm căn cứ tính chọn:

Cấp đất Tên đất và môi trường đào Hệ số cản đào và tích đất $K_1$ ($\text{kN/m}^2$) Hệ số cản đào thuần túy $K_2$ ($\text{kN/m}^2$)
Cấp I Cát, á cát, á sét nhẹ và trung bình ẩm, đất rời $16 \div 80$ $10 \div 30$
Cấp II Á sét, sỏi nhỏ và trung bình, sét mềm (ẩm nhẹ và rời) $70 \div 160$ $27 \div 60$
Cấp III Á sét chắc, sét trung bình, ẩm nhiều hoặc rời, than đá mềm $120 \div 250$ $55 \div 130$
Cấp IV Á sét nặng pha sỏi hoặc lẫn đá nhỏ, sét rất ẩm, than đá cứng vừa $220 \div 360$ $130 \div 250$
Cấp V Sét rất khô, hoàng thổ cứng chắc, thạch cao, đá ghíp mềm $330 \div 450$ $230 \div 320$
Cấp VI Sản phẩm nổ mìn, quặng các loại nhỏ mịn $220 \div 250$ Không áp dụng

Về lý thuyết truyền động điện, hệ thống yêu cầu xây dựng đường đặc tính cơ "máy xúc" dạng gục. Đường đặc tính này đảm bảo sụt tốc rất nhỏ trong dải phụ tải định mức để duy trì năng suất bốc xúc, nhưng khi dòng điện vượt ngưỡng cắt $I_{ng} = (2,25 \div 2,5) I_{đm}$, tốc độ động cơ sẽ giảm nhanh về 0 nhằm giới hạn mômen dừng ở mức $M_d = (1,5 \div 2) M_{đm}$, ngăn ngừa hiện tượng cháy động cơ hoặc phá hủy liên kết cơ khí khi gầu gặp chướng ngại vật cứng. Năng suất truyền động được định lượng qua hệ số lấp đầy đặc tính cơ $k$:

$$k = \frac{S_{ADCO}}{S_{ABCO}} = \frac{S \cdot m}{\omega_0 \cdot M_d}$$

Hệ số lấp đầy của các hệ thống truyền động điện hiện đại đạt khoảng $k = 0,8 \div 0,9$.

Phương pháp nghiên cứu trong đồ án là phương pháp tính toán giải tích kết hợp phân tích sơ đồ công nghệ: tính toán lực tĩnh học tác động lên cơ cấu công tác, khảo sát chu trình công nghệ qua biểu đồ phụ tải theo thời gian, và thiết kế mạch điều khiển logic tiếp điểm dựa trên hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều.

Thiết kế và trang bị kỹ thuật hệ thống truyền động điện

Hệ thống cung cấp điện và phân phối năng lượng cho máy xúc EKG-4 tiếp nhận nguồn điện xoay chiều ba pha điện áp cao $6\text{ kV}$ (hoặc $3\text{ kV}$) từ trạm điện hiện trường qua đường dây có van chống sét, dẫn qua cáp mềm cao áp ba pha vào hộp đấu dây, qua bộ tiếp điện và cấp tới tủ phân phối của máy xúc.

Tâm điểm của trạm phát điện nội bộ trên máy xúc là cụm hợp bộ máy phát quay bởi một động cơ sơ cấp: động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc cao áp $6\text{ kV}$ với công suất định mức $259\text{ kW}$. Trục động cơ sơ cấp được ghép nối đồng trục để kéo 4 máy phát điện một chiều chuyên dụng:

Ký hiệu Chức năng cấp nguồn Điện áp định mức $U_{đm}$ (V) Công suất định mức $P_{đm}$ (kW)
Máy phát 2 Cơ cấu nâng - hạ gầu 451 192
Máy phát 1 Cơ cấu đẩy tay gầu và cơ cấu di chuyển 395 54
Máy phát 4 Cơ cấu quay máy xúc 395 80
Máy phát 5 Máy phát kích từ chung (FKT) 115 12

Hệ thống động cơ dẫn động các cơ cấu công tác tiếp nhận nguồn điện một chiều từ các máy phát tương ứng:

Ký hiệu Cơ cấu chấp hành Điện áp $U_{đm}$ (V) Công suất $P_{đm}$ (kW) Tốc độ định mức $n_{đm}$ (vg/ph) Kiểu kích từ
ĐN Cơ cấu nâng - hạ gầu 460 175 755 Độc lập / Hỗn hợp
ĐĐ Cơ cấu đẩy tay gầu 360 40 1110 Độc lập
ĐQ1, ĐQ2 Cơ cấu quay bàn máy xúc (2 động cơ) - - - Độc lập
ĐDC Cơ cấu di chuyển bánh xích 360 40 1110 Độc lập
ĐG Đóng - mở đáy gầu 110 1,1 1450 -

Mạch điều khiển cơ cấu nâng - hạ gầu sử dụng bộ khống chế từ KC gồm 11 vị trí làm việc (1 vị trí 0, 5 vị trí nâng bên trái và 5 vị trí hạ bên phải). Máy phát F2 của hệ nâng hạ được trang bị 3 cuộn kích từ có vai trò tổng hợp sức từ động $F_{\Sigma} = F_{CKF1} + F_{CKF2} - F_{CKF3}$:

  • Cuộn $CKF1$: Cuộn kích từ độc lập (chủ đạo) lấy nguồn từ máy phát kích từ FKT. Chiều dòng điện qua cuộn dây này quyết định chiều quay nâng hoặc hạ; độ lớn dòng được điều chỉnh thông qua hệ thống điện trở phụ $r_1, r_2, r_3, r_4$ và các công tắc tơ gia tốc $1G \div 3G$.
  • Cuộn $CKF2$: Cuộn kích từ song song, được mắc song song với phần ứng của hệ máy phát - động cơ qua điện trở hạn chế $r_5$, sinh ra sức từ động cùng chiều với $CKF1$.
  • Cuộn $CKF3$: Cuộn kích từ nối tiếp nằm trên mạch động lực chính giữa máy phát và động cơ. Dòng tải chạy qua $CKF3$ tạo ra sức từ động ngược chiều với $CKF1$ và $CKF2$.

Khi máy làm việc bình thường ($I_ư < I_{ng}$), sức từ động khử từ của $CKF3$ nhỏ, điện áp máy phát được duy trì ổn định, tốc độ hạ/nâng giữ vững. Khi xảy ra kẹt gầu hoặc bốc xúc đất đá quá cứng dẫn đến quá tải ($I_ư \ge I_{ng}$), tác dụng khử từ mạnh của $CKF3$ làm sụt giảm đột ngột điện áp phát ra, triệt tiêu dòng quá tải và đưa tốc độ động cơ về mức 0, bảo vệ cơ cấu an toàn với mômen cực đại giới hạn ở mức $M_{max} = 1,3 M_{đm}$.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY XÚC

Chương này trình bày bức tranh tổng thể về các thiết bị làm đất tại Việt Nam và phân loại chuyên sâu các cụm kết cấu cơ khí chính của máy xúc.

Tác giả chỉ ra rằng việc lựa chọn sai loại gầu xúc có thể làm giảm năng suất bốc xúc vận chuyển tới 30%, đồng thời làm tăng chi phí vận hành từ 10% đến 20% do gầu nhanh mài mòn, nứt vỡ. Hệ thống gầu xúc hiện nay được phân chia thành 6 nhóm công năng chính:

  • Gầu công dụng chung: Kết cấu nhẹ, dung tích gầu lớn nhất, dùng cho đất mùn, đất màu, cát sỏi có độ đặc chắc thấp.
  • Gầu chế độ làm việc nặng: Kết cấu chắc chắn, đáy và thành bên dày hơn, dùng bốc xúc đất đá hỗn hợp, đá và sét.
  • Gầu đào đá chế độ nặng: Trang bị các tấm chịu mòn rất dày kéo dài lên phía trên, răng gầu kích thước lớn, chuyên dụng cho đá cứng và đá granit.
  • Gầu chế độ làm việc rất nặng: Bán kính răng gầu nhỏ, khoảng cách giữa hai chốt bản lề lớn nhằm tối ưu lực đào đối với đất đá liên kết chặt, rút ngắn chu kỳ làm việc.
  • Gầu nạo vét rãnh, kênh, mương: Lòng gầu nông, kích thước thon gọn, có các lỗ thoát nước và lưỡi cắt tháo lắp bằng bu-lông để thi công mái dốc, vét bùn rãnh hẹp.
  • Gầu có công dụng đặc biệt: Chế tạo đơn chiếc theo đơn đặt hàng kỹ thuật riêng biệt.

Về kết cấu, chương 1 đi sâu so sánh hai loại hình máy xúc tiêu biểu:

  1. Máy xúc một gầu - gầu thuận: Bàn quay đặt trên bệ di chuyển bánh xích, cần gầu và tay gầu liên kết động. Lực đào được hình thành từ sự phối hợp giữa cơ cấu đẩy tay gầu (tạo chiều sâu lớp cắt) và cơ cấu nâng hạ gầu (tạo quỹ đạo cắt dọc gương lò). Đáy gầu được mở bằng cơ cấu đóng mở cáp riêng biệt. Chu trình bốc xúc dao động từ $20 \div 60\text{ s}$, làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với hệ số tiếp điện tương đối $TĐ% = 25 \div 75%$.
  2. Máy xúc gàu treo trên dây: Toàn bộ thiết bị cơ điện đặt trên bàn quay tựa trên bệ đỡ; máy di chuyển từng bước nhờ hai kích thủy lực và tấm trượt hai bên sườn. Cần gầu cố định bằng hệ thống thanh giằng, gầu xúc được treo tự do trên cáp nâng và được kéo vào lòng gương lò bằng cáp kéo chuyên dụng.

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG GẦU MÁY XÚC

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán động lực học của quá trình đào bốc đất đá và xác lập các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống truyền động điện.

Khi gầu tác động vào nền đất, xuất hiện ba trường hợp đào:

  • Đào xuất phát: Xuất hiện lực cản cắt ở lưỡi đào chính diện và lực cản ma sát ở cả hai bên thành hông gầu.
  • Đào lấn dần (phổ biến nhất): Chỉ chịu lực cản chính diện và lực cản tại một bên thành hông.
  • Đào hớt (ít gặp): Chỉ có lực cản trực diện trước lưỡi gầu, không có lực cản thành bên.

Các yêu cầu kỹ thuật của hệ truyền động điện máy xúc một gầu bao gồm:

  • Đặc tính cơ phải có dạng "máy xúc" với hệ số lấp đầy cao ($k = 0,8 \div 0,9$).
  • Động cơ điện phải có khả năng chịu quá tải va đập cơ học lớn, độ bền nhiệt và độ bền chống ẩm cách điện cao, tần số đóng cắt đạt $400 \div 600\text{ lần/h}$. Rôto động cơ phải có đường kính nhỏ và chiều dài lớn nhằm giảm quán tính quay, rút ngắn thời gian quá độ khi khởi động và hãm.
  • Khảo sát các cấu hình truyền động: Hệ xoay chiều động cơ không đồng bộ ba pha chỉ thích hợp cho máy xúc nhỏ ($V_{gầu} < 1\text{ m}^3$); hệ máy phát 3 cuộn kích từ - động cơ một chiều dùng cho dung tích $2 \div 5\text{ m}^3$; hệ F-Đ có khâu khuếch đại trung gian (máy điện khuếch đại, khuếch đại từ, khuếch đại bán dẫn) ứng dụng cho máy xúc cỡ lớn ($10 \div 80\text{ m}^3$).

Chương 2 cũng phân tích đồ thị phụ tải tĩnh theo thời gian của cơ cấu nâng - hạ gầu qua 8 giai đoạn chu trình:

  • $t_1$: Tăng tốc bắt đầu bốc xúc đất đá.
  • $t_2$: Nâng tay gầu trong giai đoạn cắt đất vào lòng gầu.
  • $t_3$: Dừng gầu sau khi kết thúc bốc xúc.
  • $t_4$: Giữ gầu cân bằng khi quay máy về vị trí dỡ tải.
  • $t_5$: Đổ đất đá, tải trọng giảm dần.
  • $t_6$: Tăng tốc khi hạ gầu không tải xuống gương lò.
  • $t_7$: Hạ gầu với tốc độ không đổi.
  • $t_8$: Hãm cơ cấu trước khi gầu chạm nền gương lò.

Kết luận quan trọng rút ra từ biểu đồ phụ tải là động cơ truyền động cơ cấu nâng - hạ gầu phải làm việc dài hạn với hệ số tiếp điện tương đối $TĐ% = 100%$, mômen cản tĩnh mang đặc tính thế năng.

CHƯƠNG 3: TRANG BỊ ĐIỆN CHO HỆ THỐNG NÂNG HẠ GẦU MÁY XÚC

Chương này trình bày chi tiết sơ đồ giải pháp trang bị điện cụ thể trên máy xúc EKG-4. Tác giả thuyết minh cấu hình thiết bị trạm biến đổi F-Đ, động cơ nâng ĐN ($175\text{ kW}$), sơ đồ phối hợp điện áp $6\text{ kV}$, và sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tiếp điểm bằng bộ khống chế từ KC.

Nguyên lý điều khiển vận hành của hệ thống được thuyết minh theo hai chiều chuyển động:

  • Quá trình nâng gầu: Người vận hành gạt tay gạt bộ khống chế KC sang các vị trí $1 \div 5$ bên trái. Tại vị trí "1", công tắc tơ KN tác động, cuộn $CKF1$ nối tiếp với toàn bộ dàn điện trở $r_1 \div r_4$, dòng kích từ nhỏ nhất, mômen khởi hành đạt $0,5 M_{đm}$ ở tốc độ thấp nhất. Chế độ này dùng để kéo căng sơ bộ cáp kéo, khử khe hở cơ khí trong hộp giảm tốc và đưa gầu ăn êm vào gương lò. Khi gạt tiếp sang các vị trí $2, 3, 4, 5$, các công tắc tơ gia tốc $1G, 2G, 3G$ lần lượt đóng tắt dần các điện trở phụ, nâng cao điện áp máy phát F2 và tăng tốc độ động cơ ĐN. Khi đưa tay gạt về vị trí 0, các công tắc tơ gia tốc mất điện, hệ thống chuyển sang chế độ hãm tái sinh năng lượng.
  • Quá trình hạ gầu: Gạt bộ khống chế KC sang các vị trí bên phải, công tắc tơ KH có điện, đảo chiều dòng điện trong cuộn kích từ $CKF1$. Động cơ đảo chiều quay để hạ gầu. Đồng thời, công tắc tơ cưỡng bức kích từ KCB mất điện, tự động đưa thêm điện trở phụ vào mạch cuộn kích từ động cơ ($CKTĐ$) nhằm làm giảm từ thông kích từ $\Phi$, giúp tăng tốc độ hạ gầu không tải để rút ngắn thời gian chu kỳ công nghệ. Nhờ hằng số thời gian điện từ lớn của cuộn kích từ nối tiếp $CKF3$, mômen quá độ cực đại được khống chế ở mức $M_{max} = 1,3 M_{đm}$.

Quy trình xử lý sự cố điển hình trên hệ thống nâng hạ EKG-4 được tổng hợp:

  • Sự cố 1 - Gạt KC sang vị trí nâng nhưng gầu không chuyển động: Nguyên nhân do mòn, cháy rỗ bề mặt tiếp điểm công tắc tơ KN làm sụt áp hoặc hở mạch; đứt dây điều khiển. Biện pháp xử lý: Vệ sinh tiếp điểm bằng giấy nhám mịn, cân chỉnh lại lực ép lò xo tiếp điểm. Nếu độ mòn chiều dày tiếp điểm vượt quá 70% so với ban đầu thì bắt buộc phải thay thế cụm tiếp điểm mới; kiểm tra và hàn nối lại đoạn dây đứt.
  • Sự cố 2 - Gạt KC sang vị trí hạ nhưng gầu không hạ mà tiếp tục nâng: Nguyên nhân do mất nguồn cấp vào cuộn hút hoặc kẹt, hỏng tiếp điểm công tắc tơ KH. Biện pháp xử lý: Kiểm tra đường dẫn nguồn cấp điện áp cho KH; làm sạch bề mặt tiếp điểm, kiểm tra độ mòn tiếp điểm và thay mới nếu độ mòn tiếp xúc quá 70%.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hệ thống hóa và làm sáng tỏ các thông số kỹ thuật then chốt của hệ thống trang bị điện cho máy xúc khai thác mỏ EKG-4:

  • Xác lập đầy đủ hệ thống thông số định mức của trạm phát điện hợp bộ kéo bởi động cơ cao áp $6\text{ kV} - 259\text{ kW}$, bao gồm 4 máy phát một chiều (F2 công suất $192\text{ kW}$ cho nâng hạ; F1 công suất $54\text{ kW}$ cho đẩy tay gầu và di chuyển; F4 công suất $80\text{ kW}$ cho cơ cấu quay; F5 công suất $12\text{ kW}$ kích từ).
  • Phân tích chi tiết đặc tính kỹ thuật của hệ thống động cơ chấp hành một chiều kích từ độc lập (ĐN: $175\text{ kW} - 755\text{ vg/ph}$; ĐĐ: $40\text{ kW} - 1110\text{ vg/ph}$; ĐDC: $40\text{ kW} - 1110\text{ vg/ph}$; ĐG: $1,1\text{ kW} - 1450\text{ vg/ph}$).
  • Làm rõ nguyên lý tự động điều chỉnh và định hình đường đặc tính cơ "máy xúc" gãy gục bằng phương pháp cân bằng sức từ động ba cuộn kích từ ($F_{\Sigma} = F_{CKF1} + F_{CKF2} - F_{CKF3}$). Hệ thống tự động giới hạn mômen dừng $M_d = (1,5 \div 2) M_{đm}$ và mômen quá độ cực đại $M_{max} = 1,3 M_{đm}$ mà không cần trang bị các mạch phản hồi điện tử phức tạp.
  • Đề xuất quy trình công nghệ vận hành 5 cấp tốc độ nâng/hạ với khởi động mềm căng cáp ($0,5 M_{đm}$) và giảm từ thông kích từ để tăng tốc khi hạ không tải; cung cấp hướng dẫn kiểm tra, bảo trì cơ điện và định mức mòn thay thế tiếp điểm (ngưỡng mòn 70%).

So với các tài liệu lý thuyết chung, đồ án đóng góp bản thuyết minh kỹ thuật chi tiết hóa sơ đồ cấp điện thực tế từ lưới $6\text{ kV}$ vào cụm máy xúc mỏ EKG-4, kết nối chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học đào đất (tính toán cản đào theo cấp đất) với việc xác định chế độ làm việc dài hạn ($TĐ% = 100%$) của hệ truyền động nâng hạ gầu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Bản thiết kế tập trung chủ yếu vào hệ truyền động kinh điển máy phát ba cuộn kích từ - động cơ điện một chiều (hệ F-Đ), chưa đề cập đến giải pháp thay thế trạm máy phát quay bằng các bộ biến đổi tĩnh bán dẫn công suất lớn (như bộ chỉnh lưu Thyristor hệ T-Đ hoặc biến tần xoay chiều).
  • Việc tính toán phụ tải cơ cấu trong đồ án dừng lại ở mức độ biểu đồ phụ tải tối giản (chỉ tính đến mômen cản tĩnh, chưa mô phỏng số chi tiết mômen động sinh ra trong quá trình quá độ phức tạp).
  • Phạm vi thiết kế mạch điều khiển dựa trên thiết bị đóng cắt cơ điện tiếp điểm (bộ khống chế từ KC, rơle, công tắc tơ), chưa tích hợp hệ thống điều khiển lập trình logic (PLC) hay các mạch điều khiển tự động hóa số hiện đại.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu ứng dụng bộ chỉnh lưu điều khiển Thyristor hoặc biến tần chuyên dụng cho máy đào mỏ để thay thế cụm động cơ sơ cấp - máy phát điện một chiều nhằm nâng cao hiệu suất truyền động và giảm thiểu tổn hao năng lượng không tải.
  • Tự động hóa quá trình đào bốc đất đá bằng cách bổ sung cảm biến tải trọng, cảm biến góc nghiêng và bộ điều khiển số nhằm tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động của gầu xúc theo từng loại gương lò.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho:

  • Sinh viên, học viên các ngành Kỹ thuật Điện, Tự động hóa, Trang bị điện - Điện tử máy công nghiệp, Máy xây dựng và Cơ khí khai thác mỏ khi thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về hệ truyền động thiết bị nâng chuyển và máy bốc xúc.
  • Các kỹ sư, kỹ thuật viên vận hành, sửa chữa tại các công trường khai thác than, mỏ đá, công trường xây dựng thủy điện lớn có sử dụng dòng máy xúc EKG-4 hoặc các dòng máy đào dẫn động F-Đ tương tự.
  • Phần đáng tham khảo nhất của tài liệu là phương pháp phân tích đặc tính cơ ba cuộn kích từ để tạo đặc tính gục "máy xúc", sơ đồ phân phối công suất trạm phát điện $6\text{ kV}$, và biểu đồ phân tích 8 giai đoạn chu trình công nghệ của cơ cấu nâng hạ gầu.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ sơ cấp kéo trạm máy phát điện trên máy xúc EKG-4 có thông số kỹ thuật như thế nào?
Động cơ sơ cấp là động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc cao áp, sử dụng nguồn điện lưới $6\text{ kV}$ (hoặc $3\text{ kV}$) với công suất định mức $259\text{ kW}$. Động cơ này kéo đồng trục 4 máy phát điện một chiều phục vụ cho các cơ cấu công tác và kích từ.

2. Vai trò của cuộn kích từ nối tiếp $CKF3$ trên máy phát F2 của hệ nâng hạ gầu là gì?
Cuộn $CKF3$ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng chính, sinh ra sức từ động ngược chiều với hai cuộn kích từ còn lại ($CKF1$ và $CKF2$). Khi dòng điện tải vượt ngưỡng cắt $I_{ng} = (2,25 \div 2,5) I_{đm}$, sức từ động khử từ của $CKF3$ tăng vọt làm sụt giảm điện áp máy phát về 0, đưa tốc độ động cơ về 0 và giới hạn mômen dừng ở mức $M_d = (1,5 \div 2) M_{đm}$, bảo vệ cơ cấu không bị gãy vỡ hay cháy nổ khi kẹt gầu.

3. Tại sao ở vị trí "1" của bộ khống chế từ KC, mômen khởi động của động cơ nâng hạ chỉ được đặt ở mức $0,5 M_{đm}$?
Mức mômen $0,5 M_{đm}$ ở tốc độ thấp nhất được thiết kế để kéo căng sơ bộ hệ thống cáp nâng, khắc phục toàn bộ các khe hở cơ khí trong bộ truyền lực và đưa gầu xúc ăn từ từ vào nền đất đá trước khi tiến hành đào bốc với công suất lớn, tránh giật đứt cáp và giảm va đập cơ khí.

4. Khi hạ gầu không tải, hệ thống điều khiển làm thế nào để tăng năng suất cho máy xúc?
Khi gạt cần điều khiển sang các vị trí hạ gầu, công tắc tơ cưỡng bức kích từ KCB mất điện, tự động đóng thêm điện trở phụ vào mạch cuộn kích từ của động cơ nâng ($CKTĐ$). Việc này làm suy giảm từ thông $\Phi$ của động cơ một chiều, giúp tốc độ quay của động cơ tăng cao ở chế độ không tải, rút ngắn thời gian hạ gầu xuống đáy gương lò và tăng năng suất chu kỳ bốc xúc.

5. Tiêu chuẩn mòn tiếp điểm của công tắc tơ KN và KH để đưa ra quyết định thay mới là bao nhiêu?
Theo quy trình xử lý sự cố trong đồ án, tiếp điểm bị rỗ mòn nhẹ có thể đánh sạch bằng giấy nhám mịn và chỉnh lại lực nén lò xo; tuy nhiên, nếu bề dày lớp tiếp điểm còn lại nhỏ hơn 30% so với độ dày ban đầu (tức là đã mòn quá 70%), kỹ thuật viên bắt buộc phải tiến hành thay thế tiếp điểm mới.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế trang bị điện cho hệ thống nâng hạ gầu máy xúc EKG-4 thông qua việc liên kết chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học đào đất với kỹ thuật truyền động điện công nghiệp. Bằng việc áp dụng hệ thống máy phát ba cuộn kích từ cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập, công trình đã giải quyết thành công yêu cầu tạo đặc tính cơ gục tự động bảo vệ khi quá tải bốc xúc. Toàn bộ các thông số công suất thiết bị, sơ đồ điều khiển 5 cấp tốc độ qua bộ khống chế từ KC và giải pháp bảo dưỡng cơ điện được trình bày với độ tin cậy kỹ thuật cao, đáp ứng đầy đủ yêu cầu của một đồ án chuyên ngành Trang bị điện.