Підвищення технічного рівня прохідницьких комбайнів із поздовжньо-осьовим виконавчим органом на стадії автоматизованого проектування

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622.232.83

Підвищення технічного рівня прохідницьких комбайнів із поздовжньо-осьовим виконавчим органом на стадії автоматизованого проектування

Спеціальність 05.05.06 “Гірничі машини”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Хіценко Ганна Ігорівна

Донецьк 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Гірничі машини" Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться 13 жовтня 2006 р. о 12 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 в Донецькому національному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, І навч. корпус, МАЗ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, ІІ навч. корпус)

Автореферат розісланий “8” вересня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 доктор технічних наук, професор М.Р. Шевцов

АНОТАЦІЯ

Хіценко Г.І. Підвищення технічного рівня прохідницьких комбайнів із поздовжньо-осьовим виконавчим органом на стадії автоматизованого проектування- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 - "Гірничі машини". Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2006.

В дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення технічного рівня прохідницьких комбайнів на стадії автоматизованого проектування.

Розроблена математична модель процесу формування миттєвих значень зусилля подачі на різці під час різання породи. Розроблена математична модель системи “прохідницький комбайн із поздовжньо-осьовим виконавчим органом - порідний вибій”, яка враховує випадкові складові навантаження на різцях. Досліджено вплив випадкових складових на навантаження підсистем комбайна. Із використанням розроблених моделей запропонована методика оптимізації параметрів прохідницького комбайна.

Ключові слова: прохідницький комбайн, виконавчий орган, різець, випадкові складові, зусилля різання, зусилля подачі, навантаження в підсистемі.

АННОТАЦИЯ

Хиценко А.И. Повышение технического уровня проходческих комбайнов с продольно-осевым исполнительным органом на стадии автоматизированного проектирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 - "Горные машины". Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2006.

Диссертация посвящена вопросу математического моделирования рабочих процессов проходческих комбайнов с продольно-осевым исполнительным органом с учетом влияния случайных составляющих нагрузок на резцах, обусловленных характером скалывания при резании породы, на динамические процессы в системе “проходческий комбайн со стреловидным продольно-осевым исполнительным органом - породный забой”. В работе решена актуальная научно-техническая задача повышения технического уровня проходческих комбайнов на стадии автоматизированного проектирования, заключающегося в установлении закономерностей формирования случайных составляющих нагрузки на резцах и в использовании этих закономерностей при разработке математической модели, обеспечивающей оценку снижения динамических нагрузок и оптимизацию параметров продольно-осевого исполнительного органа.

Разработана математическая модель процесса формирования мгновенных значений усилия подачи по заданной реализации мгновенных значений усилия резания, основанная на тесной взаимной корреляционной связи этих усилий. Проведена идентификация параметров модели усилий резания и подачи для условий резания породы. Для этого использовались результаты натурного эксперимента по резанию песчанистого сланца (коэффициент крепости - 5 ед. по шкале проф. М.М. Протодьяконова), а также результаты экспериментов по резанию песчанистого сланца и калийной соли, полученные сотрудниками кафедры “Горные машины”. Сравнение результатов натурного и вычислительного экспериментов подтвердило адекватность модели: погрешность в определении математических ожиданий и средних квадратических отклонений не превышает 19 %; совпадение гистограмм распределения частот усилий на резце не менее 80 %.

Разработана комплексная математическая модель системы “проходческий комбайн со стреловидным продольно-осевым исполнительным органом - породный забой”, учитывающая случайные составляющие нагрузки на резцах, а также взаимодействие основных подсистем комбайна. Модель представляет собой систему дифференциальных уравнений 23-го порядка с 15 обобщенными координатами. Сравнение результатов моделирования с данными шахтного эксперимента комбайна 4ПП-2М подтвердило адекватность разработанной модели: погрешности в определении математических ожиданий и средних квадратических отклонений не превышают соответственно 8 % и 20 %, а полученные в вычислительном эксперименте распределения не противоречат полученным при обработке натурного эксперимента с доверительной вероятностью не менее 80 %.

Методом математического моделирования исследовано влияние случайных составляющих нагрузки на резцах на нагруженность подсистем комбайна. Это влияние оценивалось путем сравнения спектральных плотностей дисперсий и средних квадратических отклонений нагрузок в основных подсистемах комбайна, полученных в двух группах вычислительных экспериментов. В одной группе экспериментов нагрузка на резцах моделировалась с учетом случайных составляющих, а во второй группе моделировались только детерминированные составляющие нагрузок. В результате проведенных исследований установлено, что случайные составляющие нагрузки на резцах необходимо учитывать при моделировании нагрузок на исполнительном органе, а также в его приводе; можно не учитывать при моделировании нагрузок в подсистеме корпуса и опор комбайна и с погрешностью до 35 % можно пренебречь случайными составляющими при моделировании нагрузок в подсистеме подвески и перемещения.

Для оптимизации параметров проходческих комбайнов со стреловидным продольно-осевым исполнительным органом проведена формализация задачи оптимизации и проанализированы различные методы ее решения, после чего была разработана методика оптимизации параметров комбайна с использованием разработанных моделей. Предложенная методика опробована на примере оптимизации схемы набора резцов на исполнительном органе комбайна КСП-33. Использование новой схемы набора резцов позволило снизить динамическую неравномерность нагрузок в подсистемах комбайна и повысить ресурс последнего и предпоследнего валов редуктора привода исполнительного органа соответственно на 9 и 39 %.

Ключевые слова: проходческий комбайн, исполнительный орган, резец, случайные составляющие, усилие резания, усилие подачи, нагрузки в подсистеме.

THE SUMMARY

Khitcenko А. Raising the level of engineering performance standard of road-headers with axial cutting head at computer-aided design stage. - Manuscript.

The dissertation on taking of the Candidate of Technical Science degree on speciality 05.05.06. - "Mining machines". Donetsk National Technical University, Donetsk, 2006.

The actual scientific and technical task of raising the level of engineering performance standard of heading machines at computer-aided design stage is solved in dissertation.

It is developed the mathematical model of forming of momentary values of haulage force on the pick during the cutting of the rock. It is developed the mathematical model of the system “road-header with axial cutting head - rock face”, accounting the stochastic components of load on picks. It is researched the influence of the stochastic components on stress loading of subsystems of the header. It is proposed the method of optimization of parameters of road-header, using developed models.

Key words: road-header, working unit, pick, stochastic loads, cutting force, haulage force, loads in subsystem.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Стабілізація роботи вугільної галузі України, досягнення об'ємів здобичі вугілля, які поставлені Мінвуглепромом, та зниження його собівартості неможливі без концентрації та інтенсифікації гірничих робіт, що в свою чергу неможливо без високопродуктивної техніки для підготовчих робіт на основі використання прохідницьких комбайнів (ПК) нового технічного рівня з підвищеними показниками надійності, розширеною областю використання і здатністю адаптуватися до умов конкретного прохідницького вибою.

Завдяки простоті конструкції та схеми обробки вибою, кращого оконтурювання виробки і можливості селективної виїмки корисної копалини широке розповсюдження отримали комбайни виборчої дії з поздовжньо-осьовими виконавчими органами (ВО). Основним виробником на Україні комбайнів з такими ВО є ВАТ “Ясинуватський машинобудівний завод”, який випускає комбайни типа КСП32, КСП33, КСП42 та ін. Разом з тим розрахунковий ресурс основних вузлів цих комбайнів складає 5 тис. год., що значно нижче ніж у закордонних аналогів. Для вказаних машин актуальною є також задача підвищення продуктивності, розширення області використання на більш міцні породи.

Необхідною умовою підвищення технічного рівня цих машин і скорочення строків їх проектування є широке використання методів автоматизованого проектування, всебічне дослідження їх робочих процесів методом імітаційного математичного моделювання з метою обґрунтування раціональних параметрів і визначення вихідних даних для розрахунків елементів машин на міцність та витривалість. При цьому першочергове значення має коректне завдання навантажень на різцях з урахуванням їх випадкового характеру.

Питання імітаційного моделювання навантажень на різцях досить глибоко досліджені стосовно різання вугілля, у той час як імітаційні математичні моделі (ММ) процесу різання породи вимагають розвитку, тому що не повною мірою враховують фізичну суть процесу руйнування як послідовності одиничних актів руйнування (відколів).

З вищесказаного випливає, що підвищення технічного рівня ПК із поздовжньо-осьовим ВО на стадії автоматизованого проектування на основі встановлення закономірностей формування випадкових складових (ВС) навантаження на різцях і їхнього використання під час розробки ММ, що забезпечує оцінку динамічних навантажень і оптимізацію параметрів поздовжньо-осьового ВО, є актуальною науково-технічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає науковому напрямку кафедри "Гірничі машини" ДонНТУ - "Розробка теорії робочих процесів і методів підвищення технічного рівня гірничих машин", виконана в рамках аспірантського плану науково-дослідної роботи і науково-дослідних робіт Д9-2000 (№ ДР 0100U001050) і Д11-03 (№ ДР 0103U001468), а також госпдоговірної теми 06-124 (№ ДР 0106U006044) .

Метою дисертаційної роботи є підвищення технічного рівня ПК на стадії автоматизованого проектування на основі встановлення закономірностей формування ВС навантаження на різцях і їх використання при розробці ММ, що забезпечує оцінку зниження динамічних навантажень і оптимізацію параметрів поздовжньо-осьового ВО.

Задачі дослідження: 1. Установити закономірності формування ВС зусиль різання і подачі на різцях, зумовлених характером відколювання під час різання породи, розробити ММ процесу різання породи робочим інструментом ПК і виконати її параметричну ідентифікацію для типових гірничих порід.

2. Розробити імітаційну ММ системи “ПК зі стрілоподібним поздовжньо-осьовим ВО - породний вибій”.

Дослідити вплив ВС зусиль на різцях ВО, зумовлених характером відколювання під час різання гірничих порід, на динамічні навантаження підсистем ПК у сталих і перехідних режимах роботи.

Розробити і реалізувати методику багатокритеріальної оптимізації параметрів підсистем ПК, засновану на використанні розроблених ММ.

Об'єктом досліджень у дисертаційній роботі є динамічний стан системи “ПК зі стрілоподібним поздовжньо-осьовим ВО - породний вибій” під дією випадкових навантажень, що формуються на різцях ВО.

Предметом досліджень є динамічні процеси в силових системах і конструктивні параметри ПК зі стрілоподібним поздовжньо-осьовим ВО.

Методи дослідження. Поставлені задачі розв'язувалися на основі системного підходу з використанням методів планування експерименту, теорії ймовірностей і математичної статистики, математичного програмування, імітаційного математичного моделювання. Зусилля на різцях ВО визначалися експериментальним шляхом на лабораторному стенді з використанням сучасних методів і засобів тензометричних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше встановлено, що відношення ВС зусиль подачі і різання під час руйнування гірничих порід ВО ПК є стаціонарною випадковою функцією шляху, який пройшов різець, з розподілом імовірностей, що не суперечить закону розподілу Релея, і що має експонентну кореляційну функцію, причому параметр закону розподілу лінійно залежить від відношення математичних чекань зусиль подачі і різання.

2. Розроблена імітаційна ММ робочих процесів системи “ПК зі стрілоподібним поздовжньо-осьовим ВО - породний вибій”, що відрізняється урахуванням ВС навантажень на різцях ВО, зумовлених характером відколювання під час різання гірничих порід.

3. Вперше дана кількісна оцінка впливу ВС зусиль на різцях, зумовлених характером відколювання під час різання гірничих порід, на динамічні навантаження в силових системах ПК і показано, що неврахування ВС призводить до погрішностей визначення середніх квадратичних відхилень (СКВ) навантажень: до 80 % для складових головного вектора і головного моменту сил опору на ВО; до 97 % для моменту в трансмісії; до 46 % для миттєвої потужності електродвигуна (ЕД) привода ВО; до 35 % для гідроциліндрів, що здійснюють подачу ВО; до 19 % для опор комбайна.

Вищевикладені наукові результати є теоретичною базою нового рішення актуальної науково-технічної задачі підвищення технічного рівня ПК на стадії автоматизованого проектування, що полягає у встановленні закономірностей формування ВС навантаження на різцях, зумовлених характером відколювання під час різання породи, і у використанні цих закономірностей під час розробки ММ, що забезпечує оцінку зниження динамічних навантажень і оптимізацію параметрів поздовжньо-осьового ВО.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечені коректною постановкою задач, використанням апробованих припущень під час розробки розрахункової схеми системи “ПК зі стрілоподібним поздовжньо-осьовим ВО - породний вибій”, задовільною збіжністю результатів натурних і обчислювальних експериментів по різанню породи одиночним різцем на стенді і по руйнуванню вибою ПК у шахтних умовах (розбіжність порівнюваних параметрів не більш 20 %).

Наукове значення роботи є в подальшому розвитку теорії робочих процесів ПК зі стрілоподібним поздовжньо-осьовим ВО, що полягає у встановленні закономірностей формування ВС зусиль різання і подачі, зумовлених характером відколювання під час різання породи, кількісній оцінці впливу цих складових на динамічне навантаження підсистем комбайна й у розробці імітаційної ММ, що забезпечує оцінку динамічних навантажень і оптимізацію параметрів поздовжньо-осьового ВО.

Практичне значення отриманих результатів полягає в можливості використання при створенні ПК високого технічного рівня:

- математичного і програмного забезпечення для імітаційного моделювання процесу формування навантаження на різцях ВО, а також робочого процесу системи “ПК зі стрілоподібним поздовжньо-осьовим ВО - породний вибій” на стадії проектування машини і для її адаптації до конкретних умов експлуатації;

- методики оптимізації схеми набору різців на стрілоподібному поздовжньо-осьовому ВО ПК.

Результати роботи використані ВАТ "Ясинуватський машинобудівний завод" при аналізі схеми набору різців і створенні ВО прохідницьких комбайнів КСП-33, а також при виборі вихідних даних для розрахунку на міцність металоконструкції стрілоподібного виконавчого органу прохідницьких комбайнів КСП-35. Також основні результати дисертаційної роботи використані ДонНТУ при виконанні науково-дослідних робіт і в навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень отримані особисто автором. У роботі використані результати експериментальних досліджень процесу різання гірничих порід, проведених співробітниками кафедри “Гірничі машини” ДонНТУ за участю автора на етапах планування, проведення експериментів і статистичної обробки результатів. Теоретичні дослідження виконані автором самостійно, включаючи основні ідеї роботи і методики теоретичних і експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи повідомлені і схвалені на: Науково-практичній конференції "Донбас - 2020: наука і техніка - виробництву "(м. Донецьк, 2002 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Гірнича електромеханіка й автоматика" (м. Донецьк, 2003 р.); Міжнародному симпозіумі "Тиждень гірника" (м. Москва, 2003 р.); Міжнародній науково-технічної конференції “Гірниче устаткування - 2005”.

Публікації. За результатами роботи автором опубліковано 10 статей, з них 7 - у фахових наукових виданнях ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з наступних структурних елементів: вступ, п'ять основних розділів, висновки, список використаних джерел і додатки. Робота викладена на 232 сторінках, у тому числі: 128 сторінок основного тексту, 10 сторінок - список використаної літератури (80 джерел), 60 повних сторінок з рисунками (63 рис.) і таблицями (31 табл.) і 34 сторінки - 6 додатків.

порода прохідницький комбайн

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі роботи, представлені наукова новизна і практична цінність результатів роботи.

У першому розділі „Актуальність питання, задачи та методика досліджень” виконаний критичний аналіз існуючих імітаційних ММ робочих процесів ПК зі стрілоподібним поздовжньо-осьовим ВО.

Проблемі створення нових ПК високого технічного рівня й удосконалення існуючих машин на основі розробки імітаційних ММ, що дозволяють адекватно описувати процеси, що відбуваються в основних силових системах комбайна, присвячені роботи багатьох науково-дослідних і проектно-конструкторських інститутів, вузів і заводів гірничого машинобудування. Значний внесок у вирішення цих питань внесли видатні вчені й інженери, серед яких академіки Поляков М.С., Потураєв В.М., Докукін О.В., доктора технічних наук Альшиц Я.І., Барон Л.І., Бойко М.Г., Бреннер В.О., Глатман Л.Б., Горбатов П.А., Гуляєв В.Г., Кантович Л.І., Гаркавий М.Г., Кондрахін В.П., Красников Ю.Д., Малевич М.О., Позін Є.З., Рачек В.М., Сафохін М.С., Семенча П.В., Семенченко А.К., Стаднік М.І., Хорін В.М., Хургін З.Я. і інші, кандидати технічних наук Афендиков М.Г., Дейниченко В.А., Зайков В.І., Ісачкін В.В., Козак Ю.М., Калюжний В.Г., Косарев В.В., Красникова О.Ю., Криловський А.Л., Кутковий І.В., Лисенко М.М., Меламед В.З., Модинов В.В., Мотін М.М., Нечепуренко М.С., Петрушкін Г.В., Пшеничний І.Д., Семенченко Д.А., Симонов І.О., Синенко В.В., Тон В.В., Шабаєв О.Є. і інші, а також інженери Литвинов Г.А., Мізін В.О., Самсонов Г.М., Юргилевич В.О. та інші.

Завдяки роботам цих учених закладені основи імітаційного моделювання процесів, що відбуваються в основних силових системах ПК.

Як показав аналіз стану питання за темою дисертації, ММ процесу різання породи і робочих процесів ПК, що існують, мають ряд недоліків: містять велике число параметрів, що важко визначити, не повною мірою враховують випадковий характер процесу, мають недостатньо широку область застосування, і тому вимагають подальшого удосконалення.

В другому розділі „Розробка імітаційної математичної моделі процесу різання породи робочим інструментом гірничих машин” розроблена ММ процесу формування миттєвих значень зусилля подачі по заданій реалізації миттєвих значень зусилля різання, заснована на тісному взаємному кореляційному зв'язку цих параметрів (коефіцієнт взаємної кореляції RZY дорівнює 0,79-0,88). ММ формування миттєвих значень зусиль різання і подачі, яка зображена у вигляді рекурентних залежностей, має вигляд:

; ; ;

;

;

;

; ,

де li - положення різця в момент початку i-того відколу, м; li - величина інтервалу між початками відколів, м; Pск - зусилля, при якому відбувається крихке руйнування і відділення розглянутого об'єму породи, кН; PZ - математичне чекання (МЧ) зусилля різання, Н; л - інтенсивність потоку відколів, м-1; Сп - лінеаризований коефіцієнт псевдожорсткості породи, що характеризує опір середовища, що руйнується, при впровадженні в нього різця (префікс псевдо- підкреслює пружньо-пластичний характер виникаючих деформацій), кН/м; ; - пружньо-пластичні деформації розглянутого об'єму породи в і-тому одиничному акті навантаження, м; ; - шлях, що пройшов різець за час t, м; Zi - зусилля різання, що формується в кожному одиничному акті руйнування, Н; Nск - порядковий номер останнього з відколів, що почалися, але ще не закінчилися; ш1i і ш2i - незалежні нормальні випадкові процеси з МЧ, рівним 0, дисперсією, рівною 1, і нормованою автокореляційною функцією

;

б - показник згасання автокореляційної функції, м-1 ; Дlм - крок моделювання, м; о1і, о2і - послідовності незалежних нормальних випадкових чисел з МЧ, рівним 0, і дисперсією, рівною 1; кi - параметр, що розглядається як стаціонарна ергодична випадкова функція шляху, що пройшов різець, розподілена за законом Релея; у0Y - параметр розподілу Релея; Yi - миттєве значення зусилля подачі; PY - МО зусилля подачі, Н.

Ідентифікація параметрів ММ виконана із застосуванням результатів натурного експерименту по різанню піщанистого сланцю (коефіцієнт міцності - 5 од. по шкалі проф. М.М. Протод'яконова) на лабораторному стенді, а також були використані результати експериментів по різанню піщанистого сланцю і калійної солі, проведених співробітниками кафедри “Гірничі машини” ДонНТУ.

За осцилограмами зусилля різання отримана емпірична залежність для визначення інтенсивності потоку відколів для піщанистого сланцю і калійної солі по відомому МЧ зусилля різання:



Ідентифікація параметра CП для умов різання піщанистого сланцю і калійної солі проводилася шляхом порівняння спектральних щільностей дисперсій з використанням методу найменших квадратів і по гістограмам розподілу частот зусилля різання з застосуванням критерію Пірсона 2. На рисунку 1 представлена залежність коефіцієнта псевдожорсткості від МЧ зусилля різання:

З огляду на неможливість визначення інтервалів між початками двох послідовних відколів по осцилограмам різання після обчислювальних експериментів з різними законами розподілу імовірностей цієї величини був прийнятий однопараметричний закон розподілу імовірностей Релея.

Ідентифікація параметра проводилася шляхом порівняння спектральних щільностей дисперсій зусиль подачі, отриманих у натурному й обчислювальному експериментах, методом найменших квадратів.

За результатами проведеної ідентифікації отримана емпірична залежність параметра у0Y від відношення значень МЧ зусиль подачі і різання (рис. 2):

.

Як показала ідентифікація параметра , при зміні МЧ зусилля подачі від 1600 Н до 4550 Н його значення лежать у діапазоні від 200 м-1 до 860 м-1, причому меншим значенням відповідають більші значення зусилля подачі. Для імітаційного моделювання зусилля подачі рекомендується приймати коефіцієнт згасання автокореляційної функції б = 500-600 м-1, при яких досягається найбільша збіжність результатів натурних і обчислювальних експериментів.

Як показала оцінка адекватності розробленої ММ, погрішність моделювання зусиль на різці по МЧ і СКВ не перевищує 19 %. Порівняння гістограм розподілу частот зусиль на різці, отриманих у натурному й обчислювальному експериментах показало, що отримані в обчислювальних експериментах розподіли не суперечать розподілам, що отримані при обробці натурного експерименту, з довірчою імовірністю не менш 80 % (значення критерію Колмогорова 0,65). Порівняння оцінок спектральних щільностей дисперсій зусиль показало відповідність спектрального складу дисперсій результатів натурного й обчислювального експериментів.

У третьому розділі „Розробка математичної моделі робочих процесів прохідницького комбайна зі стрілоподібним поздовжньо-осьовим виконавчим органом” розроблена ММ робочих процесів ПК зі стрілоподібним поздовжньо-осьовим ВО (рис. 3), що містить в собі моделі підсистеми ВО, підсистеми привода ВО (ПО), підсистеми підвіски і переміщення ВО (ППО) і підсистеми корпуса й опор комбайна (ПКК).

При розробці ММ підсистеми ВО в процесі визначення головного вектора і головного моменту сил опору різанню на ВО враховувалися зміни товщини зрізу і заднього кута тангенціального різця поворотного типу. Для визначення товщини зрізу проводилося запам'ятовування траєкторій руху різців ВО. Товщина зрізу на кожнім різці визначалася як найкоротша відстань від його вершини до траєкторії руху попереднього різця в даній лінії різання. Модель ПО містить дві інерційні маси: перша - ротор ЕД, друга - ВО з елементами трансмісії. Для опису електромагнітних процесів в асинхронному ЕД була використана ММ Парка-Горєва.

Математична модель ППО описує переміщення ВО комбайна у вертикальному і горизонтальному напрямках, що здійснюються за допомогою двох пар гідродомкратів підйому і повороту стрілоподібного ВО комбайна. Розробка даної моделі вимагала визначення пружних, дисипативних і інерційних характеристик елементів ППО. Модель видаткової частини ППО містить у собі рівняння балансу витрати рідини в системі і рівняння навантаження силової частини з урахуванням динаміки запобіжного клапана. Математична модель ПКК заснована на рівняннях Лагранжа II роду, у яких як узагальнені координати використовувалися кути підйому і повороту стріли ц1 і ц2, а також кути потоптування цП і галопування комбайна цГ і вертикальний зсув центра мас комбайна zв .

Комплексна ММ робочих процесів ПК зі стрілоподібним поздовжньо-осьовим ВО являє собою систему диференціальних рівнянь 23-го порядку з 15 узагальненими координатами і для випадку поворота ВО має вигляд:



де , - головний вектор і головний момент сил опору різанню на ВО; ri - радіус установки i-того різця; li - відстань від вершини i-того різця до торця ВО; цi - поточна кутова координата i-того різця; цуi - кут установки i-того різця; ц - кут повороту ВО; ц1 і ц2 - кути підйому і повороту стріли; L1 - відстань між осями підйому і повороту; Lк - довжина коронки; L - заглиблення в масив; Н - товщина різа; hi - товщина зрізу; щср - середня кутова швидкість обертання ВО; Дt - крок моделювання; NТ - кількість положень, що запам'ятовуються; Zi, Yi - зусилля різання і подачі; Дбі - зміна заднього кута різця; Fi - проекція площадки затуплення різця по задній грані на площину різання; щ - кутова швидкість обертання ВО; vn, v - нормальна і дотична складові швидкості вершини різця vк; б - кут нахилу утворюючої бічної поверхні ВО до його осі обертання; Np - кількість різців на ВО; шSб, шSв, шBб, шBв, шHб, шHв - проекції потокозчеплень статора й умовних верхньої і нижньої кліток ротора; щс - кутова швидкість магнітного поля; as, arв, arн - коефіцієнти відносного реактивного опору, що залежать від параметрів схеми заміщення; bs, brв, brн - коефіцієнти відносного активного опору, що залежать від параметрів схеми заміщення; Um - амплітуда напруги фази; ДUsб, ДUsв - проекції вектора спадання напруги статора на осі б і в, що враховують вплив живильної мережі; Мдин - динамічний момент ЕД; Xs - синхронний індуктивний опір статора; р - число пар полюсів ЕД; , , - кути повороту і кутові швидкості ВО та ротору ЕД; Мс - момент сил опору на ВО відносно осі обертання; Iр - момент інерції ротора ЕД; Iи -момент інерції ВО й елементів трансмісії, приведений до ротора ЕД; сТ , вТ - коефіцієнти жорсткості і демпфірування трансмісії; Qн і qн - подача і робочий об'єм насоса; щн - кутова швидкість вала насоса; kут - коефіцієнт об'ємних утрат насоса; p н - тиск у напірній магістралі; Sп, Sш - ефективні площі поршневої і штокової порожнин; z - зсув поршня щодо його положення в зрушеному гідроциліндрі; kупр - коефіцієнт пружності порожнин з рідиною; Rгд - реакція гідродомкрата; R0 - постійна тертя в манжетних ущільненнях; kп, kш - коефіцієнти пропорційності; Qкл - витрата через запобіжний клапан; м - коефіцієнт витрати робочої рідини через запобіжний клапан; , dкл - кут конусності запірного елемента і діаметр підклапанного отвору запобіжного клапана; с/ - щільність робочої рідини; k1, k2, k3 -коефіцієнти, що враховують нелінійність характеристики запобіжного клапана; вкл - інтегральний коефіцієнт опору запобіжного клапана; mкл - маса запірного елемента запобіжного клапана; ссед - коефіцієнт жорсткості (включаючи контактну) сідла клапана; хкл - координата запірного елемента запобіжного клапана; скл - коефіцієнт подовжньої жорсткості пружного елемента клапана; хкл0 - величина попереднього натягу пружного елемента запобіжного клапана; сoi - коефіцієнти жорсткості 4-х опор комбайна; хoi, yoi - координати опор комбайна відносно центра мас корпуса комбайна; вoi - коефіцієнт демпфірування опор комбайна; г1, г2 - початкові кути підйому і повороту стрілоподібного ВО; Рy??, Рz?? - проекції головного вектора сил опору на ВО в системі координат А??X??Y??Z??; G1, G2, G3 - відповідно сили ваги корпусу, поворотної рами і стріли комбайна; Мx, Мy, Мz - проекції головного моменту сил опору на ВО в системі координат АХУ; x, y, z - координати крапки А в системі координат ОХУ; Mx?? - проекція головного моменту сил опору на ВО відносно вісі А??X??; y3??, z3?? - координати центра мас стрілоподібного ВО в системі координат O??X??Y??Z??; Рx, Рy, Рz - проекції головного вектора сил опору на ВО в системі координат АХУ; x?A, y?A - координати крапки А в системі координат А?X?Y?Z?; y?A, z?A - координати крапки А в системі координат А?X?Y?Z?; h1, h2, h3 - відповідно плечі реакцій двох гідродомкратів повороту і пари гідродомкратів підйому; J - матриця коефіцієнтів.

Оцінка адекватності розробленої ММ робочих процесів ПК зі стрілоподібним поздовжньо-осьовим ВО показала, що погрішності за МЧ не перевищують 8 %, а за СКВ - 20 %. Порівняння гістограм розподілу частот моменту на вихідному валу редуктора привода ВО, а також тиску в напірній лінії гідросистеми, отриманих у натурному й обчислювальному експериментах, показало, що отримані в обчислювальному експерименті розподіли не суперечать тим, що отримані при обробці натурного експерименту з довірчою імовірністю не менш 80 % (значення критерію Колмогорова 0,65). Порівняння оцінок спектральних щільностей дисперсій зазначених процесів показало відповідність спектрального складу дисперсій результатів натурного й обчислювального експериментів.

У четвертому розділі „Дослідження впливу випадкових складових зусиль на різцях виконавчого органу на навантаженість підсистем комбайна” досліджений вплив ВС зусиль на різцях ВО на навантаження підсистем ПК у різних режимах його роботи. Оцінка цього впливу виконувалася за такими показниками як проекція головного моменту сил опору на ВО на вісь ОY Мy; проекції головного вектора сил опору на ВО на вісі ОХ і OZ Fх і Fz; момент на вихідному валу редуктора привода ВО M; миттєва потужність ЕД привода ВО N; реакція опори комбайна Rоп; тиск у гідросистемі pн; реакція гідродомкрата повороту під час підйома ВО Rпов; реакція гідродомкрата підйому під час поворота ВО Rпод. Реалізації цих процесів використовувалися також у дослідженні таких перехідних режимів роботи ПК, як перекидання ЕД привода ВО, утрата стійкості комбайна і спрацьовування запобіжного клапана гідросистеми ППО.

У ході обчислювальних експериментів змінювалися контактна міцність породи рк, швидкість подачі ВО Vп, його заглиблення в масив L і товщина різа Н, а також напрямок руху і режим фрезування ВО. Обчислювальні експерименти проводилися для умов обробки породного вибою.

Вплив ВС навантаження на різцях ВО на показники роботи підсистем комбайна оцінювався шляхом порівняння спектральних щільностей дисперсій і СКВ випадкових процесів, отриманих у двох групах обчислювальних експериментів. В одній групі експериментів навантаження на різцях моделювалося з урахуванням ВС, зумовлених характером відколювання під час різання породи, а в другій групі моделювалися тільки детерміновані складові навантажень.

Установлено, що врахування ВС практично не позначається на МЧ зовнішнього навантаження на різці, але призводить до істотного зросту СКВ в порівнянні зі СКВ зусиль різання і подачі, отриманих без урахування ВС. Крім того врахування ВС істотно позначається на результатах моделювання навантажень на різець і різцетримач, а також на складові головного вектора і головного моменту сил опору на ВО. Погрішність моделювання навантажень без урахування ВС може досягати 80 % для складової Fх, 34 % для складової Fz , 76 % для складової Му. Вплив ВС навантаження на різцях ВО на навантаження в підсистемі ПО у всіх режимах роботи комбайна значний, при їхньому неврахуванні можливі помилки у визначенні СКВ крутильного моменту до 97 %, СКВ миттєвої потужності ЕД - до 46 %. Разом з тим, впливом ВС на навантаження в гідроциліндрах, що фіксують ВО, можна зневажити, тоді як вплив ВС на навантаження в гідроциліндрах, що здійснюють подачу ВО, істотно. Неврахування ВС призводить до помилки у визначенні СКВ навантажень у підсистемі ППО до 35 %.

Випадкові складові навантаження на різцях ВО в меншому ступені впливають на навантаження в ПКК, ніж на навантаження в інших силових системах. Неврахування ВС навантаження на різцях може призвести до помилки до 19 % при визначенні СКВ навантажень в опорах.

Установлено, що ВС навантаження на різці ВО не мають істотного впливу на закономірності спрацьовування запобіжного клапана в підсистемі ППО, на втрату стійкості комбайна і на перекидання ЕД привода ВО.

У п'ятому розділі „Оптимізація параметрів прохідницького комбайна” запропонована методика оптимізації параметрів ПК. Як інтегральний критерій оптимізації була прийнята безрозмірна величина, рівна сумі відношень СКВ навантажень для базового й оптимізованого ПК з урахуванням їх значимості:

,

де N ч. к. - кількість часткових критеріїв; ki - ваговий коефіцієнт; уi опт, уі баз - СКВ складових навантажень (часткових критеріїв) для оптимізованого і базового ПК відповідно.

Оптимізацію пропонується здійснювати в два етапи. На першому етапі критерій оптимізації розраховується за традиційною методикою з використанням простих ММ, без урахування ВС навантаження на різцях ВО та взаємодії підсистем комбайна. При цьому частковими критеріями є статистичні характеристики (СКВ) навантажень тільки в підсистемі, що оптимізується. Отримані результати є вихідним наближенням для рішення задачі оптимізації на другому етапі.

На другому етапі варто використовувати ММ, що розроблено, яка найбільше повно враховує ВС навантаження на різцях і взаємодію підсистем між собою і вибоєм. При цьому критеріями є статистичні характеристики навантажень не тільки в підсистемі, що оптимізується, але і у всіх підсистемах. Через стохастичність моделі варто передбачати багаторазове моделювання того самого режиму з наступним осередненням результатів. Дана методика була застосована під час оптимізації схеми набору різців на ВО комбайна КСП-33.

Оптимізована схема набору забезпечує зниження: на 4 % СКВ моменту в трансмісії ПО; на 14 % СКВ миттєвої потужності ЕД; на 47 % СКВ тиску в напірній лінії гідросистеми; на 20 % СКВ реакції гідродомкратів підвіски ВО; на 25 % СКВ навантаження в опорах комбайна.

Розрахунок на утомну довговічність найбільш навантажених валів редуктора привода ВО показав збільшення ресурсу вихідного вала редуктора привода ВО на 9 %, а передостаннього вала - на 38 %.

ВИСНОВКИ

У роботі дане нове розв'язування актуальної науково-технічної задачі підвищення технічного рівня ПК на стадії автоматизованого проектування, що полягає у встановленні закономірностей формування ВС навантаження, зумовлених характером відколювання під час різання породи, і їхньому використанні під час розробки ММ, що забезпечує оцінку зниження динамічних навантажень і оптимізацію параметрів поздовжньо-осьового ВО.

Використання результатів роботи дозволяє на етапі проектування і модернізації ПК виконувати аналіз їхніх робочих процесів, обґрунтовувати рекомендації з удосконалення їхньої конструкції з метою зниження навантаженості силових систем і одержувати вихідні дані для розрахунків на міцність і витривалість.

Виконано розробку імітаційної ММ процесу різання, що потребує:

а) розробки ММ процесу формування миттєвих значень зусилля подачі на різці стосовно до умов різання порід по заданій реалізації миттєвих значень зусилля різання з урахуванням кореляції цих зусиль. При цьому уперше встановлено, що відношення ВС зусиль подачі і різання під час руйнування гірничих порід ВО ПК є випадковою функцією шляху, що пройшов різець, з розподілом імовірностей, що не суперечить закону розподілу Релея, і має експонентну кореляційну функцію, причому параметр закону розподілу лінійно залежить від відношення МЧ зусиль подачі і різання;

б) проведення експериментальних досліджень процесу різання породи й ідентифікації параметрів відомої моделі формування зусилля різання, а також розробленої моделі процесу формування зусилля подачі для умов різання породи;

в) оцінки адекватності моделі, при цьому встановлено, що погрішність у визначенні МЧ зусилля різання не перевищує 6 %, а у визначенні СКВ зусилля різання - 19 %; погрішності для МЧ і СКВ зусилля подачі не перевищують 10 %.

Розроблено імітаційну ММ робочих процесів ПК, що дозволяє досліджувати формування навантажень у силових системах комбайна в сталих і перехідних режимах його роботи з урахуванням випадкового характеру навантаження на різцях ВО, взаємовпливу підсистем, наявності зворотних зв'язків за швидкістю і переміщенням в системі “ВО - вибій”, а також електромагнітних перехідних процесів в асинхронному ЕД. Доведено адекватність розробленої ММ реальним об'єктам, при цьому погрішність у визначенні МЧ і СКВ не перевищує відповідно: для моменту на вихідному валу редуктора привода ВО - 3 % і 6 %; для тиску в напірній лінії гідросистеми - 7 % і 10 %; для миттєвої потужності ЕД привода ВО - 3 % і 19 %. Раціональна тривалість реалізації навантажень в основних підсистемах ПК, що забезпечує прийнятний рівень розкиду результатів моделювання, який викликаний випадковим фактором, складає 20 с сталого режиму. Розроблена ММ може бути використана для аналізу робочих процесів ПК, у тому числі під час оптимізації його параметрів.

Виконано дослідження впливу ВС навантаження на різцях ВО на навантаження в підсистемах комбайна. Установлено, що

а) неврахування ВС практично не позначається на МЧ навантажень у підсистемах ПК, але призводить до погрішностей визначення СКВ навантажень у сталих робочих режимах:

- для зовнішнього навантаження на різці - більш, ніж у 5 разів;

- для складових головного вектора і головного моменту сил опору на ВО: до 80 % для Fх, до 34 % для Fz , до 76 % для Му;

- для навантажень у підсистемі ПО: для крутильних моментів - до 97 %, для миттєвої потужності ЕД - до 46 %;

- для гідроциліндрів, що фіксують ВО - погрішність незначна;

- для гідроциліндрів, що здійснюють подачу ВО - до 35 %;

- для опор комбайна - до 19 %.

б) ВС навантаження на різці ВО не мають істотного впливу на результати моделювання перехідних процесів перекидання ЕД: спрацьовування запобіжного клапана в гідросистемі ППО і втрати стійкості комбайна. З урахуванням ВС відповідно до розробленої ММ зниження стійкого моменту ЕД складає 3,8 %.

Таким чином, ВС навантаження на різцях ВО необхідно враховувати під час моделювання навантажень на одиночному різці і на ВО, а також у приводі ВО; можна не враховувати під час моделювання навантажень у ПКК і з погрішністю до 35 % можна зневажити ВС навантаження на різцях під час моделювання навантажень у ППО.

4. Розроблено методику оптимізації параметрів ПК, що передбачає виконання двох етапів: на першому етапі критерій оптимізації розраховується з використанням ММ підсистеми, що оптимізується, без урахування ВС і взаємодії підсистем; на другому етапі варто використовувати імітаційні ММ, що враховують взаємодію підсистем і ВС навантаження на різцях ВО, зумовлені характером відколювання під час різання породи. Методика апробована під час оптимізації параметрів ВО комбайна КСП-33, отримані результати впроваджені у виробництво. Розрахунок на утомну довговічність показав, що з використанням оптимізованої схеми набору ресурс вихідного вала редуктора привода ВО збільшився на 9 %, а ресурс передостаннього вала - на 38 %.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кондрахин В.П., Осипенко А.И. Имитационное моделирование процесса формирования нагрузок на резцах при резании горных пород // Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. - Донецк. - 2000. - Вып. 16. - C. 161 - 168.

2. Кондрахин В.П., Хиценко А.И. Идентификация усилия резания горных пород // Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. - Донецк. .- 2002. - Вып. 35. - C. 92 - 97.

3. Кондрахин В.П., Хиценко А.И. Имитационное моделирование усилия подачи при резании горных пород // Науковi працi Донецького державного технiчного унiверситету. - Донецк. - 2002. - Вып. 42. - C. 124 - 129.

4. Кондрахин В.П., Хиценко А.И., Ярцев И.А. Оптимизация схемы набора резцов проходческого комбайна КСП 32-2. // Студенческий науч.-тех. журнал “Инженер”. - Донецк, ДонНТУ. - 2002. - № 3. - C. 137-139.

5. Кондрахин В.П., Хиценко А.И., Мотин Н.Н. Разработка и установление адекватности имитационной математической модели проходческого комбайна // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - Донецк: ДонНТУ. - 2003. - Вып. 25. - C. 182-187.

6. Хиценко А.И. Исследование влияния случайных составляющих усилий на резцах на нагруженность в подсистемах проходческого комбайна // Проблемы эксплуатации оборудования шахтных стационарных установок. Сборник научных трудов. - Донецк: ОАО “НИИГМ им. М.М. Федорова”. - 2005. - С. 290-296.

7. Кондрахин В.П., Хиценко А.И. Имитационное математическое моделирование переходных процессов в подсистемах проходческого комбайна // Гірнича електромеханіка та автоматика. - Дніпропетровськ: НГУ. - 2005. - Вып. 75.- C.177-183.

8. Кондрахин В.П., Тарасенко В.А., Хиценко А.И. Оптимизация параметров подсистемы "ИО" проходческого комбайна КСП-32 // Науковi працi Донецького національного технiчного унiверситету. - Донецк. - Вып. 99, 2005. - C. 121-129.

9. Гуляев В.Г., Кондрахин В.П., Тарасенко В.А., Хиценко А.И. Исследование методов имитационного моделирования и оптимизации при создании и совершенствовании породоразрушающих машин для угольной промышленности Донбасса // Материалы научно-практической конференции “Донбасс-2020: наука и техника - производству”. - Донецк. - 2002. - C.148-151.

10. Кондрахин В.П., Хиценко А.И. Имитационное математическое моделирование процесса функционирования проходческого комбайна // Труды Международной научно-технической конференции "Горная электромеханика и автоматика". - Донецк, ДонНТУ. - 2003. - C. 128-138.

Размещено на Allbest.ru

...