Обоснование конструктивных и схемных решений для автоматизации рабочего органа стволопроходческой машины

Пономарева, Марина Владимировна

Горные машины

автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование конструктивных и схемных решений для автоматизации рабочего органа стволопроходческой машины

кандидата технических наук: Пономарева, Марина Владимировна
город: Тула
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.05.06
цена: 450 рублей

Диссертация по транспортному, горному и строительному машиностроению на тему «Обоснование конструктивных и схемных решений для автоматизации рабочего органа стволопроходческой машины»

Автореферат диссертации по теме "Обоснование конструктивных и схемных решений для автоматизации рабочего органа стволопроходческой машины"

На правах рукописи

ПОНОМАРЕВА Марина Владимировна

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ОРГАНА СТВОЛОПРОХОДЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Специальность: 05.05.06 Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Тула 2013

005538800

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре «Робототехника и автоматизация производства»

НаучньШ руководитель:

ЛАРКИН Евгений Васильевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Робототехника и автоматизация производства», ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», г. Тула

Официальные оппоненты:

ГОЛОВИН Константин Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Геотехнологии и строительство подземных сооружений», ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», г. Тула

ДЕМИН Константин Вячеславович, кандидат технических наук, заместитель начальника производственно-технического отдела, ОАО «Тулаоблгаз», г. Тула

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный институт», г. Москва

Защита диссертации состоится « 12 » декабря 2013 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 90, 6-ой учебный корпус, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета (300012, Тула, просп. Ленина, 92).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92, Ученый совет ТулГУ, факс: (4872)33-13-05, e-mail: iup05@yandex.ru

Автореферат разослан « 11 » ноября 2013 г.

Ученый секпетапь

Копылов Андрей Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Возрастающие требования горнопромышленных компаний по увеличению скорости проходки шахтных стволов при безусловном обеспечении безопасных условий труда, обусловливают необходимость создания новых образцов горнопроходческой техники.

Российский и зарубежный опыт показывает, что высокие требования к скорости, надежности и экономичности могут быть достигнуты только применением полностью механизированной проходки стволов. Создание средств комплексной механизации производственных процессов проходки подразумевает использование механизированных и автоматизированных горных машин и их элементов. Автоматизация позволяет наиболее полно учитывать горнотехнические условия и эргономические требования, реализовывать рациональные режимы работы машин и оборудования, что способствует повышению их долговечности и надежности. Схемные решения для автоматизации рабочих органов стволопроходческой техники в настоящее время разработаны недостаточно, поэтому тема диссертационного исследования является актуальной.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическими планами Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контракт № 02.740.11.0319) и НИР 8.1374.2011, выполняемой в рамках государственного задания «Управление информационными процессами в робототехнических комплексах специального назначения».

Цель работы заключается в установлении закономерностей внешних и внутренних процессов в автоматизированном рабочем органе стволопроходческой машины для обоснования его рациональных конструктивных и схемных решений.

Идея работы заключается в том, что рациональные конструктивные и схемные решения для автоматизации рабочего органа стволопроходческой машины обеспечиваются путем введения в его структуру цифровой системы управления.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• рациональные режимы проходки определяются стабильностью угловой скорости вращения породоразрушающего барабана, а также постоянством продольной и поперечной подачи для данных физико-механических свойств породы независимо от текущего радиуса ствола;

• стабилизация угловой скорости вращения барабана и его продольной и поперечной подачи осуществляется по трем каналам управления: угловой скоростью вращения рукояти, угловой скоростью вращения породоразрушающего барабана вокруг своей оси и величиной продольного перемещения поршня линейного гидропривода;

• в автоматизированном рабочем органе на физическом уровне существуют перекрестные обратные связи между каналами управления, что требует введения ЭВМ в систему управления;

• разработанные цифровой ПИД-регулятор, позволяющий минимизировать влияние перекрестных обратных связей в объекте за счет введения прямых перекрестных связей между каналами регулятора, методика выбора его параметров и алгоритм управления обеспечивают рациональные режимы эксплуатации рабочего органа стволопроходческой машины.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана аналитическая модель и математическое описание рабочего органа стволопроходческой машины как объекта управления, позволяющие обосновывать выбор конструктивных и схемных решений;

• установлены зависимости линейной скорости точки разрушения породы от параметров гидросистемы;

• разработан метод проектирования ПИД-регуляторов с перекрестными связями, позволяющий учитывать особенности структуры рабочего органа и режимы его работы.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

• предложенные схемные решения автоматизированного рабочего органа стволопроходческой машины позволяют сократить сроки проектирования ство-лопроходческих комплексов с цифровыми системами управления;

• разработанный метод управления рабочим органом позволяет создать семейство горных машин сходного назначения, обеспечивающих их работу в области рациональных параметров;

• разработанный цифровой ПИД-регулятор с перекрестными связями позволяет стабилизировать угловую скорость вращения породоразрушающего барабана, его продольную и поперечную подачу;

• разработанная методика настройки ГШД-регулятора позволяет использовать устройства данного типа для различных режимов работы стволопроход-ческих машин.

Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы основные положения теоретической механики, теории машин и механизмов, деталей машин, теории объемных гидромашин и гидроприводов, теории автоматического регулирования, научный анализ и обобщение опыта эксплуатации проходческих комплексов, методы математического моделирования, численные методы решения дифференциальных уравнений.

Реализация результатов. Предложенные в диссертации методы реализованы автором в процессе выполнения НИОКР с ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод», что подтверждается актом внедрения результатов диссертационного исследования в производство.

Ряд теоретических положений внедрен в учебный процесс Тульского государственного университета на кафедре «Геотехнологии и строительство подземных сооружений» при подготовке инженеров по специальности «Горное дело».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена корректностью постановки задачи, обоснованностью использованных тео-

ретических зависимостей и принятых допущений, применением известных математических методов; подтверждается сравнительным анализом результатов, полученных теоретически, и результатов экспериментальных исследований, а также положительными результатами внедрения диссертационной работы в производство.

конференции (г. Тула, 2010 г.), на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2011 - 2013 гг.), на 31-ой научной сессии НТО РЭС им. Попова (г. Тула, 2013г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, из них 3 — в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. .

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 7 таблиц, список использованных источников и приложение с актом внедрения результатов диссертационного исследования в производство.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Различные проблемы проектирования горных машин и гидроприводов исследовали Башта Т.М., Бартон Н., Берман В.М., Богданович Л.Б., Бреннер В.А., Головин К.А., Жабин А.Б., Пушкарев А.Е., Гейер В.Г., Докукин A.B., Зубков Л.А., Пономаренко Ю.Ф., Солод В.И., Сырицын Т.А. Общими вопросами проектирования элементов стволопроходческих комплексов занимались Краус М., Вошни Э., Аш Ж., Новоселов О.Н. Проблемам теории автоматического регулирования посвящены работы Бессекерского В.А., Попова Е.П., Фалдина Н.В., Воронова A.A. и др.

Освоение новых образцов проходческой техники вызвало появление новых задач, требующих решения. В частности, возникла проблема создания автоматизированных рабочих органов, обеспечивающих рациональные режимы проходки при наличии перекрестных обратных связей между каналами прохождения сигнала управления в объекте.

Состояние изученности рассматриваемой проблемы, цель и идея работы обусловили необходимость постановки и решения следующих задач:

1. Разработать функциональную схему рабочего органа стволопроходче-ской машины, состоящего из породоразрушающего барабана, стержневого узла, системы гидроприводов и вспомогательных подсистем.

2. Создать математическую модель рабочего органа стволопроходческой машины, используемую при автоматизации производственного процесса проходки ствола.

3. Разработать математические модели элементов стволопроходческой машины (линейного гидропривода, регулируемых аксиально-поршневых гид-

роприводов, стержневого узла с породоразрушающим барабаном, аксиально-поршневого насоса с электродвигателем).

4. Синтезировать обобщенную структурную схему рабочего органа ство-лопроходческой машины по структурным схемам его элементов.

5. Синтезировать ПИД-регулятор с учетом наличия перекрестных обратных связей между элементами объекта регулирования.

6. Реализовать разработанные методики при проектировании рабочего органа стволопроходческой машины стволопроходческого агрегата АСП-8.0.

Проведенный анализ показал, что основным режимом работы проходческих машин является переходный режим, описание которого требует разработки системы динамических моделей.

Для построения динамических моделей рабочий орган стволопроходческой машины был условно разделен на подсистемы: механическую и гидроприводов.

Механическая подсистема (рисунок 1) включает стержневой узел (рукоять 1, стрела 2, линейный привод 3) и барабан 4, осуществляющий разрушение породы 5 в точке Е.

Разработанная функциональная схема рабочего органа стволопроходче-ской^машины, позволила выделить 3 канала управления: канал управления угловой скоростью породоразрушающего барабана, вращение которого осуществляет регулируемый аксиально-поршневой гидропривод барабана; канал управления положением поршня линейного гидропривода и канал управления угловой скоростью вращения рукояти, осуществляемого регулируемым аксиально-поршневым гидроприводом рукояти.

Рисунок 1 - Расчетная схема механической подсистемы

Определены параметры, которые подлежат измерению: давление в гидроприводах, углы поворота и угловые скорости вращения рукояти и барабана, относительная координата поршня линейного гидропривода. В соответствии с подлежащими измерению параметрами определен состав датчиков измерительной системы.

Система уравнений, описывающих динамику механической подсистемы рабочего органа, имеет вид (1-7). (Иг{Ьлс)ц/

■ = М - RtiLQD {LAC ) - Мох - кгROL ~ W !

(1)

+ FTr-K^Rl+R2N = J4

в + ip +

dL\c

3<Po

8Lir

-■AC.

+ (2)

RnLgj sin[ff0 (Lac) - cpA (LÄC)]

ивс

nhPi (lac)lbd4? cos [a, (Lac)-<pa(Lac)] cos[>0 {bAC)-<pA (Lac)] ^

(3)

2 L,

ивс

J-L = J\ +J2+J3' = mi

2 pjLjCOSOj Li

. ---1--

' 2 12

-bd

cp<9 = arcsin-

/-2 +l2 _l2 ьвс + ьab ac

2labläc

lob + ^bd loblbd

]} + T? - L2 ab + bbc ac

lablbc

<Pj = arccos-

{lqb ~ loa )2 + l2ac ~ l2

ВС .

2(lob ~Loa)L

¿2 r2 _l2

г2 + t2 j t ab bc —ac

job bd

(4)

(5)

(6)

(7)

lbclab

где J\, J2, J3, J4 — моменты инерции рукояти, стрелы, линейного привода и барабана относительно точки О, соответственно, кг м2; т,, Li — масса (кг) и длина (м) соответствующего стержня; Rqy. ~ реакция в шарнире О, Н;

Кх. — коэффициент моментов всех сил сухого трения, приведенных к шарниру О, м ;

т]е — коэффициент моментов всех сил вязкого трения, приведенных к корпусу стержневого узла, Н'м-с;

ЯТ1 , Ят - тангенциальная и нормальная составляющие сил реакции на стержневой узел в шарнире Д Н;

Лт ; ^ — тангенциальная и нормальная составляющие реакции на барабан в шарнире £>, Н;

Рт, Рц— тангенциальная и нормальная составляющие реакции породы в точке Е, Н;

тш - масса подвижной части привода, расположенной между поршнем и шарниром С, кг;

— коэффициент моментов вязкого трения в породоразрушающем барабане, Нмс;

Т]ш — коэффициент сил вязкого трения в подвижной части линейного привода, Н-с/м;

усилие на штоке линейного привода, Н.

Дифференциальные уравнения (1) - (3), соотношения (4-7), а также представленные в диссертационной работе дополнительные зависимости для определения , Ят, , Яда , /<г , ¡^ы составляют полную динамическую модель механической подсистемы рабочего органа. Из этой модели получены зависимости для расчета установившихся режимов механической подсистемы. Расчетная схема подсистемы гидроприводов представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Расчетная схема подсистемы гидроприводов

Разработана математическая модель линейного гидропривода (8-10) двустороннего действия, из которой получены зависимости для расчета статических режимов.

т р аг

^Ы)-Р2\\=ъЬ(Р2-Рг)\ - Да ^(¿.со -вглс) А. (9)

Л р т

(10)

где — параметры, зависящие от плотности жидкости и коэффициентов расхода через входные и выходные дроссели линейного гидропривода, м3/2/кг1/г; /3 — модуль объемной упругости жидкости, Н/м2; £1АС ~ отклонение поршня от среднего положения, м.

Разработаны математические модели регулируемых аксиально-поршневых гидроприводов рукояти (II) и барабана. <0)

п{°ь / п

^ ^ I (I Н-СОЭ^+гД^

«(О)

£ $ого /о (1 + С03 + «(уоо ,

I 1=1_ Фо.

р л '

ео = -9о/о[ро(0-ро]2, (11)

где // — суммарный текущий момент на валу гидропривода, Н-м; п(0) — количество поршней, одновременно находящихся под давлением в магистрали;

¿о - площадь поршня, одинаковая для всех цилиндров привода, м2;

го — радиус расположения центров цилиндров относительно центра вращения

блока цилиндров, м;

Уо — угол между осями вращения блока цилиндров и выходного вала, рад.; ко - коэффициент моментов сухого трения в подшипниках выходного вала, м; /"гроо — приведенный начальный момент диссипативных сил, имеющих место в шарнирах поршней, в подшипниках, в самих поршнях, Н-м;

угловой шаг расположения гидроцилиндров, рад.; щ — начальное значение угла щ, при котором /-й цилиндр подключается к магистрали с давлениемро, рад.;

Эо — параметр, зависящий от коэффициента расхода через трубопровод и плот-

3/2/ 1/2

ности жидкости, м /кг ;

о — площадь проходного сечения трубопровода, м2 .

Для гидропривода барабана получена система уравнений, аналогичная

(П).

к„+Тмф+ф = кии-Л12)

Разработана математическая модель насоса (12-14), приводимого в движение электродвигателем, как через механический редуктор, так и напрямую; из них получены зависимости для расчета статических режимов.

Spn sinrXsin(4, + ¿Аф) + KnSp0 cos/ + /¿тр0 + j'</> + г]ф i=]

С?Ф = 9ф/ф[рф-р0]г; (13)

■UU -Pop + +/A,)]^ + Srtgrism(A + (14>

i=i ,=i dt

где 5 — площадь поршня, м2;

п - количество цилиндров, подключенных к выходному трубопроводу; Рф - давление в рабочих полостях, одинаковое для всех цилиндров, задействованных одновременно на выталкивание жидкости, Н/м2; 7 - угол наклона шайбы по отношению к оси вращения выходного вала, рад.; /А-ро — начальный момент трения на валу гидронасоса, Н- м; Лф — угловой шаг расположения гидроцилиндров, рад.;

фь — начальное значение угла ф, при котором очередной цилиндр подключается к выходному трубопроводу, рад.; к— коэффициент момента сухого трения, м;

J w. г] — соответственно, момент инерции (кг-м2) и коэффициент момента вязкого трения (Н'м с) в элементах конструкции насоса;

Г„ - механическая постоянная времени, обусловленная инерционностью якоря электродвигателя, с;

кц — коэффициент передачи по управляющему сигналу, ЕГ'-с"1 ;

ки - коэффициент передачи по моменту электродвигателя, Н"1 'м'1 с"1;

<2ф- объемный расход рабочего тела через фильтр, м3/с;

&ф - параметр, зависящий от коэффициента расхода через фильтр трубопровода

и плотности жидкости, м3/2/кг"2;

/ф — площадь проходного сечения фильтра, м2.

Произведена линеаризация исходных систем дифференциальных уравнений путем разложения в ряд Тейлора в окрестностях точки установившегося состояния. Для всех разработанных моделей получены системы линейных уравнений в отклонениях в операторной форме.

Путем решения систем линейных уравнений методом Крамера были получены передаточные функции вида:

S,(i) Д ü(s) Sf(s) A(s)

где 8y(s), S,(s) - изображение по Лапласу отклонения регулируемого параметра и внешнего воздействия от установившегося значения, соответственно; Д(s), Аß(s) - соответствующие определители метода Крамера;

s — комплексная переменная (оператор дифференцирования).

Разработаны структурные схемы компонентов рабочего органа:

• механической подсистемы;

• линейного гидропривода;

• регулируемого аксиально-поршневого гидропривода рукояти;

• регулируемого аксиально-поршневого гидропривода породоразруша-ющего барабана;

• аксиально-поршневого насоса с электродвигателем.

Для разработанных структурных схем получены зависимости, связывающие параметры структуры с параметрами линеаризованных уравнений.

Разработана методика объединения структурных схем компонентов в единую структурную схему системы, основанная на обозначении направлений информационных потоков и воздействий в системе с последующей привязкой информационных связей к реальным компонентам стволопроходческой машины (рисунок 3). На указанном рисунке стрелками, не имеющими начала в других клетках, показаны управляющие или возмущающие воздействия на стволо-проходческую машину извне, а кружочками отмечены внутренние регулируемые параметры соответствующих узлов.

Стержневой узел Входы: Гг Выходы: в | (// ис

Рисунок 3 — Схема распространения воздействий в рабочем органе

Из рисунка видно, что управление может осуществляться изменением углов наклона блока цилиндров регулируемых аксиально-поршневого гидропривода рукояти у о и барабана уа , а также изменением площадей дросселирующих отверстий/] и/з на входе в рабочие полости гидроцилиндра линейного гидропривода.

Определены принципы включения в общую структурную схему элементов, описывающих" сервоприводы и датчики стволопроходческой машины, показано, что в большинстве практических случаев сервопривод может быть описан звеном не выше второго порядка, а датчик - безынерционным звеном.

Показано, что включение датчиков и сервомеханизмов с реальными передаточными характеристиками увеличивает инерционность каналов управления и должна быть учтена при синтезе регулятора.

Рассмотрены режимы рабочего органа при проходке ствола с постоянным в пределах цикла радиусом и с переменным радиусом. В первом режиме радиус проходки в течение оборота сохраняется неизменным. Затем происходит останов рабочего органа, изменение текущего радиуса путем выдвижения поршня линейного гидропривода и проходка ствола с новым текущим радиусом. Процесс завершается по достижении заданного радиуса проходки ствола. При проходке ствола с переменным текущим радиусом, изменение радиуса осуществляется по заданному закону, например, описываемому уравнением спирали Архимеда.

В работе показано, что эффективность управления зависит от состава и характеристик используемой в системе управления элементной базы. Представлена элементная база системы управления автоматизированного рабочего органа стволопроходческой машины.

Для управления процессами в рабочем органе стволопроходческой машины произведен обоснованный выбор ПИД-регулятора (рисунок 5), способного обеспечить стабильные режимы воздействия на породу при любых положениях

проходке стволов с постоянным радиусом

Анализ рабочего органа как объекта автоматизации, произведенный по разработанной системе моделей, показал наличие в нем перекрестных обратных связей. Это потребовало разработки структуры ПИД-регуляторов, включающей перекрестные прямые связи между каналами регулирования. На рисунке 5 показан частный случай включения таких регуляторов для режима проходки с постоянным радиусом.

Разработана методика настройки ПИД-регулятора. В соответствии с методикой настройка ведется в следующей последовательности:

1) синтезируют желаемый переходный процесс по каждой регулируемой величине;

2) подают на первый из входов ступенчатое воздействие и дожидаются установившегося режима работы;

3) подают на второй вход ступенчатое воздействие и, изменяя параметры ¿„22, Кол и &д22, добиваются требуемого качества переходного процесса во втором канале;

4) при установившемся режиме второго процесса подают на первый вход ступенчатое воздействие и, изменяя параметры &и11, ¿„и и Адп, добиваются требуемого качества переходного процесса в первом канале;

5) изменяя параметры кЛ2> кпП и кй]2 минимизируют влияние перекрестной связи между первым и вторым каналом;

6) изменяя параметры кп2[ и ка2\ минимизируют влияние перекрестной связи между вторым и первым каналом;

7) повторяя пп. 2-4 проверяют попадание переходных процессов в заданные пределы.

Таким образом, за счет нескольких циклов итерации можно добиться требуемого качества переходного процесса при минимизации перекрестных связей между каналами.

Проведено цифровое моделирование процесса настройки ПИД-регулятора по предложенной методике. Результаты моделирования приведены в диссертационной работе. Проведена апробация методики при настройке ПИД-регулятора опытного образца рабочего органа. Результаты цифрового и натурного эксперимента подтвердили работоспособность и эффективность предложенной методики.

Разработана схема включения ПИД-регуляторов в систему управления при режиме проходки с переменным радиусом (рисунок 6). К данной схеме также применима полученная методика.

Разработана схема включения ЭВМ в контур управления рабочего органа стволопроходческой машины. Особенность реализации автоматизированного рабочего органа заключается в том, что вся обработка информации производится исключительно с помощью ЭВМ. Аппаратная часть осуществляет только преобразование неэлектрических измеряемых параметров, например перемещения органов управления, в электрический сигнал (датчики) и электрического сигнала в неэлектрические величины, например в механическое перемещение рабочего органа (приводы). Поэтому методы логической обработки сигналов с

помощью ЭВМ оказывают существенное влияние на качество решения задачи управления.

б)

Рисунок 6 - Схема включения ПИД-регуляторов в систему управления при проходке с переменным радиусом: а) схема (/'-го элемента; б) общая схема

В диссертационной работе сформулированы принципы разработки программного обеспечения системы управления рабочего органа.

Рассмотрены вопросы взаимодействия программ управления каналами при функционировании управляющей ЭВМ, выделены типовые этапы выполнения алгоритма управления рабочим органом стволопроходческой машины.

Результаты диссертационного исследования были внедрены на Скуратов-ском опытно-экспериментальном заводе при разработке агрегата стволопро-ходческого АСП-8.0.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований в работе установлены закономерности внешних и внутренних процессов в автоматизированном рабочем органе сгволопроходческой машины и обоснованы его рациональные конструктивные и схемные решения.

Основные научные и практические результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основе проведенного анализа современных отечественных и зарубежных проходческих комплексов показана актуальность разработки автоматизированного рабочего органа стволопроходческой машины.

2. Разработанные общая модель механической части рабочего органа и математические модели элементов подсистемы гидроприводов позволяют моделировать динамику рабочего органа в различных режимах функционирования стволопроходческой машины.

3. Построенные структурные схемы компонентов рабочего органа, полученные зависимости, связывающие параметры структуры с параметрами линеаризованных уравнений, разработанная методика объединения структурных схем компонентов в единую структурную схему системы, синтезированная обобщенная структурная схема рабочего органа стволопроходческой машины как объекта автоматизации дают возможность использовать для исследования функционирования рабочего органа стандартный аппарат теории автоматического регулирования.

4. Показана возможность применения ПИД-регулятора для управления процессами в стволопроходческой машине, разработана его структура, позволяющая минимизировать влияние связей между каналами прохождения сигнала управления в объекте.

5. Разработанная схема включения ПИД-регуляторов в систему управления и методика определения его параметров для различных режимов позволяют реализовать рациональные режимы проходки

6. Проведенное сравнение результатов цифрового моделирования процесса выбора параметров регулятора при различных режимах проходки ствола с результатами натурного эксперимента подтвердили достоверность разработанных моделей и эффективность предложенных методик.

Результаты работы опубликованы в следующих печатных трудах:

1. Баранов, В.П. Иерархическое моделирование естественных перколяци-онных кластеров методами клеточных автоматов / В.П. Баранов, Н.С. Крыкин, М.В. Пономарева // Современные проблемы математики, механики, информатики: материалы международной научной конференции. - Тула, Изд-во ТулГУ, 2011.-С. 53-54.

2. Баранов, В.П. Моделирование кинетики накопления поврежденности в нагруженных металлических материалах / В.П. Баранов, М.В. Пономарева, М.В. Пузикова// Современные проблемы математики, механики, информатики:

материалы международной научной конференции. - Тула, Изд-во ТулГУ, 2009. -С. 129-130.

3. Ларкин, Е.В. Динамическая модель рабочего органа стволопроход-ческой машины как объекта управления / Е.В. Ларкин, М.В. Пономарева // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 9. Ч. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.-С. 148-153.

4. Ларкин, Е.В. Математическая модель силовой части аксиально-поршневого гидропривода рабочего органа стволопроходческой машины / Е.В. Ларкин, М.В. Пономарева // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 9. Ч. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 72 - 78.

5. Ларкин, Е.В., Общая структура рабочего органа и вспомогательных систем стволопроходческой машины / Е.В. Ларкин, М.В. Пономарева // Приборы и управление: сборник статей молодых ученых. Вып. 11. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.-С. 80-83.

6. Ларкин, Е.В. Регулятор режимов проходки стволопроходческой машины / Е.В. Ларкин, М.В. Пономарева И XXXI Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула: НТО РЭС им. A.C. Попова, 2013. - С. 20 - 24.

7. Ларкин, Е.В. Система управления рабочим органом стволопроходческой машины / Е.В. Ларкин, М.В. Пономарева // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 9. Ч. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 154 -158.

8. Пономарева, М.В. Кинематическая схема рабочего органа стволопроходческой машины / М.В. Пономарева // Приборы и управление: сборник статей молодых ученых. Вып. 11.- Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. — С. 97 — 100.

9. Пономарева, М.В. Математическая модель гидропривода рабочего органа стволопроходческой машины / М.В. Пономарева // Приборы и управление: сборник статей молодых ученых. Вып. 11. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. — С. 91 -97.

10. Пономарева, М.В. Моделирование процесса кластеризации микроповреждений в нагруженных материалах на основе теории перколяции / М.В. Пономарева // Пятая магистерская научно-техническая конференция: сборник статей. Часть 2. - Тула, Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 67-68.

11. Пономарева, М.В. Особенности управления режимами стволопроход-ческого комплекса / М.В. Пономарева, И.Ю. Пономарева // XXXI Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула: НТО РЭС им. A.C. Попова, 2013. - С 24 -28.

12. Пономарева, М.В. Схема управления стволопроходческой машиной / М.В. Пономарева // XXXI Научная сессия, посвященная Дню радио. — Тула: НТО РЭС им. A.C. Попова, 2013. -С. 16 - 19.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 7.11.2013 Формат бумаги 60x84 Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 069 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, проспЛенина, 95.

Текст работы Пономарева, Марина Владимировна, диссертация по теме Горные машины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201365764 На правах рукописи

ПОНОМАРЕВА Марина Владимировна

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ОРГАНА СТВОЛОПРОХОДЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 Горные машины

Научный руководитель: д. техн. н., профессор Ларкин Евгений Васильевич

Тула 2013

Оглавление

Введение......................................................................................................................................5

1 Анализ стволопроходческих комплексов....................................................9

1.1 Классификация стволопроходческих комплексов..............................................10

1.2 Обзор стволопроходческих комплексов........................................................................14

1.3 Обобщенная схема рабочего органа стволопроходческой машины .. 24

1.4 Элементы рабочих органов стволопроходческих машин............................26

1.4.1 Аксиальные роторно-поршнееые гидромашины..............................................29

1.4.2 Радиальные роторно-поршнееые гидромашины..............................................31

1.4.3 Пластинчатые насосы............................................................................................................32

1.4.4 Шестеренные насосы..............................................................................................................34

1.4.5 Гидроцилиндры................................................................................................................................35

1.5 Методы математического описания проходческих машин

как объектов управления......................................................................................................................38

1.6 Особенности управления режимами работы стволопроходческой машины................................................................................................................................................................40

1.7 Выводы......................................................................................................................................................44

2 Математические модели рабочего органа

стволопроходческой машины....................................................................................46

2.1 Общая модель механической подсистемы рабочего органа стволопроходческой машины............................................................................................................47

2.2 Упрощение модели стержневой конструкции

и породоразрушающего барабана................................................................................................56

2.3 Линеаризованная система уравнений, описывающая динамику стержневой конструкции и породоразрушающего барабана..............................62

2.4 Математические модели элементов гидросистемы рабочего

органа....................................................................................................................................................................68

2.4.1 Математические модели линейного гидропривода

с дроссельным регулированием......................................................................................................68

2.4.2 Математические модели гидроприводов рукояти

и породоразрушающего барабана..............................................................................................75

2.5 Математические модели аксиально-поршневого насоса

с электродвигателем................................................................................................................................84

2.6 Выводы.........................................................................................................................................88

3 Динамические процессы стволопроходческой машины..............90

3.1 Структурная схема механической подсистемы рабочего органа ... 90

3.2 Структурные схемы компонентов силовой гидросистемы........................96

3.2.1 Построение структурной схемы линейного гидропривода..................96

3.2.2 Построение структурной схемы аксиально-поршневых гидроприводов................................................................................................................................................101

3.2.3 Построение структурной схемы насоса с электродвигателем ... 105

3.3 Методика обобщения структурной схемы рабочего органа стволопроходческой машины..........................................................................................................106

3.3.1 Воздействия и измеряемые величины структурной схемы....................108

3.3.2 Упрощение структурной схемы......................................................................................110

3.3.3 Учет быстродействия сервомеханизмов..............................................................112

3.3.4 Учет датчиков стволопроходческой машины..................................................114

3.4 Выводы....................................................................................................................................................116

4 Синтез режимов работы стволопроходческой машины..............118

4.1 Выбор закона управления рабочим органом..............................................................118

4.1.1 Регулятор режимов проходки стволопроходческой машины............119

4.1.2 Постановка задачи автоматизации..........................................................................125

4.2 Элементная база..................................................................................................................................128

4.2.1 Линейный привод рабочего органа..........................................................................................................128

4.2.2 Аксиально-поршневые гидроприводы рабочего органа..............................129

4.2.3 Датчики линейного перемещения ..................................................................................130

4.2.4 Датчики угловых скоростей................................................................................................133

4.2.5 Датчик угловых перемещений..........................................................................................134

4.2.6Датчики давления........................................................................................................................136

4.2.7 Датчики расхода............................................................................................................................137

4.3 Алгоритм управления рабочим органом......................................................................137

4.3.1 Общие принципы разработки программного обеспечения

системы управления рабочего органа....................................................................................139

4.3.2 Организация обработки данных в системе управления рабочего органа....................................................................................................................................................................141

4.4 Методика настройки ПИД-регулятора..........................................................................144

4.7 Реализация стволопроходческой машины................................................................148

4.8 Выводы......................................................................................................................................................149

Заключение................................................................................................................................151

Список использованных источников..................................................................153

Приложение А Акт внедрения результатов диссертационного

исследования................................................................................................................................................162

Введение

Актуальность работы. Возрастающие требования горнопромышленных компаний по увеличению скорости проходки шахтных стволов при безусловном обеспечении безопасных условий труда обусловливают необходимость создания новых образцов горнопроходческой техники.

Российский и зарубежный опыт показывает, что высокие требования к скорости, надежности и экономичности могут быть достигнуты только применением полностью механизированной проходки стволов [61]. Создание средств комплексной механизации производственных процессов проходки подразумевает использование механизированных и автоматизированных горных машин и их элементов. Автоматизация позволяет наиболее полно учитывать горнотехнические условия и эргономические требования, реализовывать рациональные режимы работы машин и оборудования, что способствует повышению их долговечности и надежности. Схемные решения для автоматизации рабочих органов стволопроходческой техники в настоящее время разработаны недостаточно, поэтому тема диссертационного исследования является актуальной.

ния элементов стволопроходческих комплексов занимались Краус М., Вошни Э., Аш Ж., Новоселов О.Н. Проблемам теории автоматического регулирования посвящены работы Бессекерского В.А., Попова Е.П., Фалдина Н.В., Воронова A.A. и др.

1. Разработать функциональную схему рабочего органа стволопроходческой машины.

3. Разработать математические модели элементов стволопроходческой машины.

4. Синтезировать обобщенную структурную схему рабочего органа стволопроходческой машины по структурным схемам его элементов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• рациональные режимы проходки определяются стабильностью угловой скорости вращения породоразрушающего барабана, а также постоянством продольной и поперечной подачи для данных физико-механических свойств породы и состояния инструмента независимо от текущего радиуса ствола;

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана аналитическая модель рабочего органа стволопроходческой машины как объекта управления, позволяющие обосновывать выбор конструктивных и схемных решений;

• установлены зависимости линейной скорости точки разрушения породы от параметров гидросистемы;

Практическая значимость работы состоит в следующем:

• предложенные схемные решения автоматизированного рабочего органа стволопроходческой машины позволяют сократить сроки проектирования стволо-проходческих комплексов с цифровыми системами управления;

• разработанная методика настройки ПИД-регулятора позволяет использовать устройства данного типа для различных режимов работы стволопроходче-ских машин.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена корректностью постановки задачи, обоснованностью использованных теоретических зависимостей и принятых допущений, применением известных математических методов; подтверждается сравнительным анализом результатов, полученных теоретически, и результатов экспериментальных исследований, а также положительными результатами внедрения диссертационной работы в производство.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики и информатики» (г. Тула, 2009, 2011 гг.), на 5-ой магистерской научно-технической конференции (г. Тула, 2010 г.), на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2011 - 2013 гг.), на 31-ой научной сессии НТО РЭС им. Попова (г. Тула, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, из них 3 - в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

1 Анализ стволопроходческих комплексов

Разработка и внедрение новых эффективных комплексов оборудования, предназначенного для строительства вертикальных стволов, является актуальной задачей, быстрое и успешное решение которой позволяет сократить общие сроки и повысить качество производимых работ.

При создании стволопроходческих комплексов возникает множество проблем, связанных с обеспечением вертикальности ствола, создания крепи, проходки слоев с различными геофизическими свойствами, с проблемами строительства вертикальных стволов в неустойчивых породах и при большом дебете воды [62, 66]. При насыщении водой илистых грунтов возможен вынос водоносного грунта из-под крепления в выработку. Изменение физико-механических свойств грунта с помощью специальных способов его стабилизации (искусственное замораживание, цементация, водопонижение и т. д.) может дать хороший эффект, но вертикальные стволы пересекают обычно разнородные слои с различными геологическими свойствами, водоотдачей, поэтому эффективность выбранного способа закрепления может быть значительно снижена. Не говоря уже о том, что существующие методы длительны по времени или экономически затратны - контроль за целостностью создаваемого закрепленного массива ведется по косвенным признакам. Уравновешивание гидростатического напора водоносных горизонтов заполнением шахтного ствола водой усложняет применение механизмов для выемки грунта, а в некоторых регионах, например, в Санкт-Петербурге, где уровень грунтовых вод может быть на 2-3 м ниже поверхности и при наличии валунов на всех горизонтах делает это невозможным.

К современным стволопроходческим комплексам предъявляется ряд общих требований, основными из которых являются [67, 68]:

1. Высокие значения основных макроуровневых параметров, интегрально характеризующих их уровень качества и степень конкурентоспособности.

2. Достаточно полный охват вероятных областей использования по размерам и формам выработок разного назначения, по крепости и абразивности разрушаемых пород.

3. Достаточно низкие удельные энергозатраты при выполнении рабочих операций.

4. Эргономичность управления, высокая безопасность и требуемые санитарно-гигиенические условия при работе обслуживающего персонала.

Проблемы, связанные с созданием современного стволопроходческого оборудования взаимосвязаны и требуют комплексного подхода к их решению. Выполнение общих требований к стволопроходческому комплексу должно быть обеспечено выполнением научно обоснованных требований к каждому элементу с учетом взаимосвязи элементов и их взаимного влияния. Применение системы управления комплексом, включающей подсистемы управления его элементами -одно из необходимых условий решения названных проблем. Задача разработки автоматизированного рабочего органа комплекса является актуальной, ее решение позволяет рационально реализовывать предъявляемые к объекту требования при обеспечении безопасных условий труда.

1.1 Классификация стволопроходческих комплексов

В комплексе горностроительных работ сооружение стволов, и прежде всего вертикальных, имеет особое значение. Вертикальные стволы являются уникальными инженерными сооружениями по масштабу и сложности решаемых технических задач.

Стволопроходческие работы можно подразделить

Похожие работы

Транспортное, горное и строительное машиностроение
05.05.00