автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование оптимальных параметров гидросистем очистного горно-шахтного оборудования и средств технического диагностирования для повышения надежности их работы

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Тульский государственный университет

С-с:- '

На правах рукописи

ПОДКОЛЗЩ! Анатолий Алексеевич

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОСИСТЕМ ОЧИСТНОГО ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СРЕДСТВ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ Д Л Я ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ИХ РАБОТЫ

Специальность: 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тула (998

Работа выполнена в Тульском государственном университете и АО "Подмосковный научно-исследовательский и проектно-конструкторский угольный институт"

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, СТЕПАНОВ В.М.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор Технических наук, профессор БРЕННЕР В.А. академик Академии гориых наук РФ, доктор технических наук, профессор КРАШКИН И.С. доктор технических наук, профессор ГЕТОПА1ЮВ В.11.

Ведущее предприятие:

АО "КРАНГОРМАШ"

//ВО Защита диссертации состоится /У1А99 8 г. в

7•у часов на заседании специализированного совета Д 063.41.01

при Тульском государственном университете по адресу: 300600, г. Тула, проспект Ленина; д. 92

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан V

Т99 8 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доцент, канд. техн. наук

ч.

О.М. Пискунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Основными направлениями повышения эффективности подземной добычи угля при реструктуризации угольцой промышленности являются концентрация и интенсификация технологических процессов на основе повышения технического уровня, надежности и эффективности используемых, усовершенствованных и новых технологий и техники с обеспечением высокой степени безопасности ведения работ.

В последние два-три десятилетия в условиях резкого обострения стремлений к созданию наилучших вариантов техники и технологий и осознания ограниченности имеющихся в распоряжении материальных, энергетических и прочих ресурсов проблема оптимального проектирования и создания высокоэффективного, надежного оборудования стала чрезвычайно важной.

Известно, что традиционные способы создания, изготовления и эксплуатации очистного горно-шахтного оборудования и его гидросистем часто не приносят нужного результата по надежности и эффективности работы, так как не учитывают всего разнообразия нестабильных условий эксплуатации и динамики их изменения, в силу чего нагрузка на лаву не растет и возможности механизированных комплексов используются не полностью

До последнего времени проблеме создания гидросистем горно-шахтного оборудования, трансформирующего свои характеристики в зависимости от условий эксплуатации,.уделялось недостаточное внимание. II хотя была разрцооз.аны основы методик создания и оптимизации теоретико-вероятностного расчета для комплексного решения проблемы они не нашли широкого практического применения.

В связи с этим оптимизация параметров гидросистем очистного ГШО и средств диагностирования, обеспечивающих повышение надежности и эффективности работы оборудования, расширение условий и области его применения, сокращение материальных и трудовых затрат на создание, изготовление и эксплуатацию, является актуальной проблемой, имеющей важное 'народнохозяйственное значение.

Диссертационная работа обобщает' результаты научных исследований АО "ПНИУИ" и ТулГУ, в том числе:

"разработать технологию отработки запасов угля в сложных горно-геологических условиях, средства комплексной механизации очистных работ для длшикжамерной системы и иллегов мощностью 1-6 м<№ roc. per. 04И3 70(НИЮ, 1493-1 W7 г.);

"провестй исследования и разработки по повышению технн-

ческого уровня механизированных крепей" (№ roc. per. 0493026000, 1987-1988 г.);

"гибкие производственные системы (ГПС) на базе САПР по основным процессам и видам очистного оборудования мехком-плексов для использования в индивидуальных условиях шахт" (.На гос. per. 0493089000, 1993 г.);

"провести исследования и выполнить разработки по совершенствованию средств и систем автоматизированного управления крепью и конвейером очистного механизированного комплекса" (№ гос. per. 0495224000, 1989 г.);

"разработать технологии и средства механизации монтажа и демонтажа очистных комплексов, позволяющие повысить безопасность работ и производительность труда" (№ roc. per. 049203^000, 1990 г.);

"создать и внедрить гидростойку с дополнительной податливостью и повышенным начальным распором, обеспечивающую повышение эффективности работы очистного механизированного комплекса в тяжелых горно-геологических условиях" (№ гос. per. 0492061000, 0495002000, 1989-1992 г.)..

Цель работы - установить закономерности функционирования гидросистем очистного горно-шахтного оборудования и средств технического диагностирования, направленных на достижение требуемого уровня обоснованности оп+имальных параметров и создание гидросистем для повышения их надежности и эффективности добычи полезных ископаемых, снижения затрат на проектирование, изготовление и техническое обслуживание оборудования.

Идея работы - обеспечить повышение надежности и эффективности горно-шахтного оборудования, достигаемого структурной и параметрической оптимизацией гидросистем на основе достижения требуемого уроЕня обоснованности параметров и конструкций, прогнозирования ресурса и построения оптимальных стратегий технического обслуживания и ремонта.

Метод исследований - комплексный, включающий инженерный анализ, _ научное обобщение, физическое и математическое моделирование с использованием современного математического аппарата и ЭВМ, производственно-экспериментальные исследования с применением методов планирования многофакторных экспериментов и обработкой полученных данных методами математической статистики.

Основные научные положеншц выносимые на защиту; - методические основы уменьшения степени неопределенности-принятия решения задачи многокритериальной оптимизации гидросистем очистного i орно-шахтног о оборудовании « 'средств

технического диагностирования за счет формирования методом ЛП-пойска Парето-оптималЪного и упорядоченного эффективного множеств решений и преобразовании их в упорядоченное множество рангов критериев заменой значений критериев их рангами;

- закономерности функционирования гидросистем очистного горно-шахтного оборудования и средств технического диагностирования, .обеспечивающие решение задач структурной и параметрической оптимизации, создание и совершенствование гидросистем оборудования реализацией требований надежности н эффективности, учитывающие многовариантное сочетание различных конструкций гидроэлементоп при расчете обобщенного критерия и принятии, решения задачи оптимизации, методами минимизации обобщенного критерия;

- методические основы достижения максимально' возможной надежности гидросистем очистного горно-шахтного оборудования путем организации технического обслуживания и ремонта оборудования, основанное на комплексном учете изменения ресурса, диагностировании и прогнозировании его технического состояния;

- оптимальные технологические, конструктивные и режимные параметры гидросистем ГШО, реализуемые в конструкциях гидроприводов очистного оборудования и средств технической диагностики по требуемому уровню надежности н эффективности работы.

Достоверность научных положений, выводов н рекомендаций диссертационной работы обоснована. корректностью исходных ггредпосылок, постановки задач и методов их решения; представительным статистически обоснованным объемом и адекватностью теоретических н экспериментальных исследований (сходимость а пределах 81-92 %); положительным применением результатов работы в производстве.

Научиап новизна работы заключается: . - в установлении закономерностей функционирования гидросистем очистного горно-шахтного оборудования и средств технического диагностирования, учитывающих многоварнантное сочетание различных конструкции гндроэлементов и обеспечивающих решение задач структурной и параметрической оптимизации в зависимости от связей показателей иадожносш и ■ зффиктьносш с функциональным состоянием и технологической схемой работы, параметрами и нагрузками на элементы, диагностированием и прогнозированием технического состояния гндроэлементов;

- в разработке методологических осноп прогнозирования ресурса гидрооборудования на стадиях проектирования и эксплуатации, основанных на учете изменения ресурса оборудования в функции выполнения.работы и технической диагностики;

.- в разработке оптимальных технических решений гндросис-

тем и элементов гидропривода, защищенных патентами и авторскими свидетельствами на изобретения, позволяющих повысить надежность и'эффективность работы машин и механизмов.

Практическое значение работы заключается;

- в создании и совершенствовании методов, разработке методик, процедур и инструментальных программных средств решения задач оптимизации, направленных на определение оптимальных параметров гидросистем, обеспечивающих повышение надежности и эффективности ГШО и средств технической Диагностики путем обеспечения оптимального сочетания технологических, конструктивных и силовых параметров:

- в разработке математических моделей, алгоритмов и прикладных программ имитационного моделирования процессов, происходящих в гидросистемах • очистного оборудования, позволяющих повысить эффективность его создания и эксплуатации;

- в создании алгоритмов и методик диагностирования технического состояния гидропривода, прогнозирования ресурса элементов и построения оптимальных стратегий проведения ТОиР;

- в разработке и внедрении защищенных патентами и авторскими свидетельствами на изобретения технических решении эффективных конструкций гидросистем ГШО и средств технической диагностики» обеспечивающих повышение надежности и эффективности работы машин и механизмов.

Реализация результатов работы. Основные научные и практические результаты работы реализованы АО "ПНИУИ", ИГД им. А.А. Скочинского, ГП "ВНИМИ", АО "Крангормаш", ТулГУ при разработке: технического задания на подсистему'САПР по механизированным комплексам по работе "Гибкие производственные системы (ГПС) на базе САПР по основным процессам и видам очистного оборудования мехкомплексов для использования в индивидуальных условиях шахт", "Исходных технических требований на разработку стенда ресурсных; динамических и импульсных нагру-жений (СРДИ)", "Технических требований на-разработку системы повышения начального распора секции механизированной крепи (СПР)", "Технических требовании на создание гидростоек с'дополнительной податливостью и повышенным начальным распором" и др.; при проектировании гидросистем механизированных крепей 1МКМ,'МК75, МКБ, 1УКП, 2УКП, 2УКПВ," 2УКП5, КПМ, КСМ, КМК 700/800 и др.; при создании гидростоек с регулируемыми в комплексе начальным распором, сопротивлением й аварийной податливостью и встроенными устройствами технической диагностики для очистных комплексов 1УКП, МК75, ЮКП, КС2.1П, агрегатной штрековой крепи АШК и комплекта оборудования длшшокамерной. системы разработки ДКС; при разработке

гидростатических приводов ПГШ шахтных подвесных монорельсовых и напочвенных канатных дорог; универсальных шахтных манипуляторов; приводов выемочных машин с домкратной системой подачи; систем регулирования положения исполнительных органов очистных комбайнов; при разработке распределительной гидроаппаратуры, предохранительных гидроклапанов с улучшенными динамическими и расходными характеристиками; при создании стендов исследовательских и приемо-сдаточных испытаний различного горно-шахтного оборудования. ■

Гидросистемы .механизированных крепей, выемочных комбайнов, средств механизации вспомогательных работ, многофункциональных гндростоек и контрольно-распределительной гидроаппаратуры внедрены па шахтах Подмосковного;. Донецкого, Кузнецкого. Печорского и Карагандинского угольных бассейнов. .

Системы технической диагностики аккумуляторного типа, с нагрузочным устройством и со встроенными элементами, используемые па стадии изгошиления и ремонт гидроэлемеп i он реализованы R конструкциях испытательных стендов, внедренных в АО "ЛНИУИ", АО "СЭЗ". Системы технического диагностирования с нагрузочным устройством и со встроенными средствами диагностики внедрены в ПО "Белорускалнн", ОАО "Тулауголь", АО "УК Кузнепкуголь", АС)"Карагандауголь" и др.

Результаты диссертационной работы использованы АО "ПНИУИ" и ИГД им. A.A. Скочинского при составлении руководящего документа "Гидрораспределители механизированной крепи. Типовая методика предварительных и приемочных испытаний", методик "Диагностирование технического состояния способом гидравлического нагруженпя и прогнозирование остаточного ресурса элементов гидропривода механизированной крепи", "Оптимизация и выбор конструктивных и режимных параметров системы технического диагностирования элементов гидропривода способом гидравлического иагружения".

Экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 125 тыс. руб.

Апробации работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные разделы докладывались и обсуждались: на Vil Всесоюзном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (г. Новосибирск, 1991 г.), на научно-технических конференциях ГулГУ (г. Тула, 199Q-199Ü гг.), на научно-технических советах ПО "Белорускалий" (г. СолНгорск, 1989-1991, 1997 гг.-), на научно-технических советах ОАО "Тулауголь" (г. Гула, 1990-1998 гг.), на научно-технических советах АО ''Ленинск; уголь" (г. Ленинск-Кузнецкий, 1995-1997 гг.), на научно-технических сонетах АО "Неловоуголь" (г. Белово, 1(>Ч5 |0<)7 гг.), на на-

учно-технических созетах АО "Ростовуголь" (г. Шахты, 1997 г.), на научно-технических советах АО "Донуголь" (г. Шахты, 1997 г), на научно-технических советах АО "ПНИУИ" (1988-1998 ri;,)» на научно-техническом, совете Сианьского горно-шахтного института (г. Сиань, КНР, 1992 г.), на отраслевом семинаре-совещании "Совершенствование внутришахтного транспорта, о мерах по снижению травматизма и аварийности, повышению эффективности работы участков" (г. Новокузнецк, 1995 г.), на семинаре-совещании "Региональные проблемы, опыт энергосбережения и его правовое обеспечение" (г.' Тула, 1995 г.), на Ш международной научно-практической конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности" (г. Новокузнецк, 1996 г.), на 1-ой ре тональной конференции "Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых центрального региона Российской Федера Ции" (г. Тула, 1998 г.), на международной научно-техническо! конференции "Энергосбережение - 98" (г. Тула, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 статей, ; том числе 13 авторских свидетельств на изобретения, материал! работы использованы при разработке технических заданий на соз дание горно-шахтного оборудования и составлении отчетов по на учло-исследовательским работам.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав заключения, изложенных на '354 стр. машинописного текста; со держит i 19 рис., 40 табл., список литературы из 3.15 нанмгповпнн и приложения.

Автор выражает благодарность кандидату технические" iiay В.А. Сушкину за методическую помощь'и содействие, оказание при-выполнении работы, и ти<;же лреподавателяд) и сотрудника кафедры ЭМО ТулГУ и АО "ПНИУИ", принявшим участие в щн ise «.eiljiti с[ендо1!ых и шахтных исследований!

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИИ РАЬОТЫ

Проблема обоснования оптимальных параметров гидросисте горно-шахтного оборудования и средств технического диагност.! рования, обеспечивающая повышение надежности и эффективн! сти работы очистною ГШО не теряет своей актуальности на пр тяжении всего периода существования гидрофнцированного об рудоьания и приобретает еще большее значение при интенсифик ции и концен (рации-работ, проводимых в соответствии с Hporpai мой реструктуризации уюльной офаелн

Основой для раскрытия закономерное ieii надежной и эффе iHBiioii работы оборудования и его гидропривода, служат результ гы т еоре гическич и •ьспернментз.'м.ных нее те торпний, из.чоженш

в работах А.А.Баландина, В.А.Еренпера, А.С.Бурчакова, В.Н.Гетопанова, Л.Я.ГимельшеЙна, М.Е.Данилина, А.В.Докукина,

B.Я.КаШтановой, В.Н.Каретникова, П.В.Коваля, И.С.Крашкина, Г.А.Крупенникова, В:М.Кувшинова, А.Лабасса, С.В.Мамонтова,

C.Г.Михлина, В.И.Морозова, , Б.К.Мышляева, В.И.Никоиова,

A.А.Орлова, Ю.ф.ПоИомаренко, В.Л.Попова, В.А.Потапенко, Г.С.Рахутина, В.М.Рачека, С.А.Санина, В.М.Степанова,

B.А.Сушкнна, А.И.Тесленко, И.И.Харитонова, Ю.Л.Худина, В.Н.Хорина, В.А.Юрицина и других ученых и сЬециалистов ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИМИ, ИГД СО РАН, Гипроуглемеша, ПНИУИ, ДонУГИ, КНИУИ, КузНИУИ, Крангормаша, ШахтНИУИ, МГГУ, ТулГУ, ЛГИ, КузПИ и др.. ' .

Анализ этих работ показал, что эффективность гидропривода, основывающаяся на технологическом и конструктивном ее обеспечении за счет оптимизации параметров, является перспективным направлением угольного машиностроения, н дальнейшее развитие этого направления связано с исследованиями влияния внешних и внутрисистемных связей и нагрузок на уровень надежности и эффективности оборудования, достижения максимальной надежности за счет, технического диагностирования гидроэлементов и оптимизации стратегий технического обслуживания и ремонта ГШО.

Цель, идея.работы и современное состояние знании "по рассматриваемой проблеме определили необходимость решения следующих задач:

' 1. Разработать методические основы уменьшения степени неопределенности принятия решения задачи мнггокритериальной оптимизации технологических, конструктивных и режимных параметров гидросистем очистного горно-шахтного оборудования и средств технической диагностики, для чего необходимо:

- обосновать критерии качества гидросистем, учитывающие в комплексе, кинематические, силовые, деформационные и энергетические параметры, требуемый уровень надежности, организацию технологических процессов добычи угля и требуемый уровень затрат при проведении ТОиР;

- установить закономерности формирования методом ЛП-■ поиска Парето-оптимального множества, упорядоченного эффективного множества решений, преобразования его в упорядоченное множество рангов критериев заменой значений критериев их рангами;

- разработать обобщенную схему решения задач структурной й параметрической оптимизации гидросистем, обеспечивающую

.создание и совершенствование гидросистем реализацией требований надежности и эффективности, учитывающую миоговариантное

сочетание различных конструкций гилроэлементов при расчете обобщенного критерия и принятия решения задачи оптимизации методами минимизации полученного критерия;

- разработать обобщенную математическую модель гидро- ' системы, позволяющую в зависимости от исходных данных получать многовариантные реализации гидросистем с расширенными функциональными возможностями, оптимизируемых по многим критериям качества и требуемому уровню надежности, устанавливать области параметрических и критериальных ограничений.

2. Разработать методические основы обеспечения надежности гидросистем очистного оборудования, для чего необходимо:

- обосновать методологию выбора условий реализуемости оптимальных параметров гидросистем и средств технической диагностирования но критериям надежности; •

- установить зависимости для расчета показателей надежности гидросистем на основе функциональной связи с коэффициентом технического уровня, соответствующего требуемой производительности, и минимальным затратам на эксплуатацию оборудования; - '

- установить закономерности изменения остаточного ресурса и показателя прогнозирования надежности гидросистемы, основанные на учете изменения ресурса оборудования в функции выполненной работы, разработать процедуру построения оптимальной стратегии и периодичности проведения ТОйР для достижения максимально возможной надежности гидропривода ГШО;

- обосновать оптимальные параметры средств технического диагностирования, на основе которых разработать конструкции и схемы СТД и установить области их рационального применения.

3. Обосновать технологические, конструктивные и режимные параметры гидросистем, реализуемые в конструкциях горного оборудования и его элементах, показатели и средства диагностирования технического состояния гидропривода по требуемому уровню надежности й эффективности, оценить адекватность теоре- . тических и экспериментальных исследований в лабораторных н производственных условиях.

На начальных этапах создания горного оборудования стоит задача взаимного согласования функциональных машин, средств управления и внешней среды. Поэтому главным в ее решении яв- .. ляется выбор ' ((зрлучщей структуры, оптимальной организации взаимодействия отдельных элементов и рациональных режимов функционирования. : . '

1Гроектирование горной машины представляется как процесс преобразования технического задания (X) в проект (У):

У = (1)

где Ро- процедура процесса проектирования.

На основе накопленных данных по конструктивным, режимным параметрам и показателям работы очистного ГШО можно сформировать матрицу из N прецедентов:

I = < XI , У1 (1=1, 2, ... , N1» , (2)

где X; - '/-е задание на проектирование; - проект, т.е.

У, - Г-и (X.) (! ..., Ы) . , (.3)

В качестве критерия оптимальности иа этом уровне выступает производительность, являющаяся интегральным показателем й зависящая от множества конструктивных и режимных параметров, схемы и организации работы.

Математическую модель комплекса в обобщенном виде можно представить как:

О = Г (Рк, У?м, У*Р> V,,*, V, 0„, С*), (4)

где Р(с -совокупность параметров комплекса; Увм - скорость выемочной машины; укр - скорость крепления очистного забоя; V,,, -скорость передвижки конвейера; Уко„ - скорость выполнения концевых операций; Сх - схема работы. . '

Любую гидросистему можно рассматривать как совркупность составляющих ее элементов и узлов - точек соединения этих элементов Кзждый элемент е системы относится к определенному типу с соответствующими ему узлами /', у, к. Структура схемы описывается матрицей Я. Гидрораспределитель рассматривается как совокупность местных сопротивлений, каждое из которых имеет два узла н описание его структуры формализуется матрицей [/:

е, /, 1 ■к, J\

3 = е*. ь 1 к, и = А У. (5)

/у А к, й J\

где в|,...,ен- элементы, входящие а гидросистему,. N - их количество; 1), ..., н", К — номера узлов входа и выхода соединений £,...,Ь распределителя. Оператор еш определяет соответствующую элементу модель, номера узлов служат для индексации переменных и установления условий связи элементов друг с другом.

На каждом шаге системного времени проводится анализ управляющей матрицы И выделяются.операции, выполняемые в этот момент системного времени. Происходит вызов процедур моделирования соответствующих подсистем. В процедуре моделирования подсистемы проводится анализ вида операции и устанавливается действие, выполняемое в этот момент системного времени,

при необходимости проверяется возможность выполнения действия, проводится изменение состояния системы в сторону достижения критерия окончания действия на величину, определяемую шагом системного времени.- Если критерий окончания действия не достигнут, то в следующий шаг системного времени будет моделировать следующее действие. При выполнении всех операций производится расчет выходных параметров, информации и окончание моделирования.

Решение поставленных задач потребовало разработки обобщенной математической модели гидросистемы, обеспечивающей моделирование переходных процессов в гидросистеме ГШО и средствах технического диагностирования, многокритериальную оптимизацию параметров гидроэлементов при многовариантном цх сочетании, исследование различных диагностических признаков и параметров прогнозирования ресурса, обеспечивая при этом минимизацию затрат времени расчета одного варианта на ЭВМ.

При выполнении исследований по обоснованию оптимальных параметров гидросистем ГШО использовалась разработанная автором обобщенная математическая модель, ■ блок-схема' которой представлена на рис. 1.

В связи с отсутствием в базовой библиотеке математической лодели адаптивной многофункциональной гидросистемы гидро-стойкн была разработана се обобщенная математическая модель учитывающая сжимаемость жидкости, упругость стенок гидроцилиндра и подводящих трубопроводов, потери давления в гиДролиниях па местных сопротивлениях и трение, силы инерции, измене ние свойств жидкости под действием давления, закон изменени! инешнсй силы, приложенной к штоку 1 идросзойхи:

Г

л2" •

"л7"

"л г: а'ь, сР

\

т„,

А(0-р,

аг

сИ

РА

■и,

■Он-8,

иг, л"

1>,

Ецбц 1

л

Е,

'н.

111 д 'ПИ

Л, -а, -

-5}РГ + К ,2

УТ1

й2г

" (112

Шт (11

■С(||,

'«„Ы^н

(6

Д)-К7

d'ht= 1 dt1 m n

dJi

S» P2 - «Э Tjf - - П|С,(Ь В + К - Д) - SsPre - R TP5

2XP3~Pp). p_p_Qii

•H > 2S»

TP

1 ^ D

'TP

P V" P V"

p f го m . p —__hio v 5

г _ ,,, „ „ > гп5 —

(V.-^Z,)" . ^ (VE-SBH,)

V^^tDfiL.-ZJ-DUL.-Z)] ,

4 4

где: rrlus, - приведенная масса подвижных частей секции крепи, A(t) - возмущающая сила, приложенная к гидростойке, определяемая по Методике, разработанной проф. Степановым В.М.; - коэффициенты жидкостного трения; Р, - давление рабочей жидкости

в поршневой полости гидростойки; z — d Z - перемещение, ctfo-

dt * dt2

рость и ускорение штока; S, - площадь поршня гидростойки; RIPl -силы сопротивления движению; S,, Sa - плошали ступеней дифференциального поршня; D,, DTP - диаметры поршня гидростойки и трубопровода; QkI - расход рабочей жидкости; Еж, Е„, Етр - модули упругости жидкости, станок цилиндра и трубопровода; V2, VTP -объемы жидкости в поршневой полости гидростойки и в трубопроводе; гПд - приведенная масса дифференциального поршня; mfel, ml2, mu - приведенные массы подвижных частей предохранительного, аварийного клапанов и блока клапанов, а, - коэффициенты жидкостного трения клапанов; P,, Р11;, Рго, Plïn - текущее и начальное давление в газовых камерах гидростойки и блока клапанов; С;

dhj_ dhi dh^ dX_

dt. ' dt2 ' 2' dt ' dt* ' " dt ' dtr щенне, скорость и ускорение соответственно затвора предохрани' тельного клацана, золотника аварийного клапана, тяги блока клапанов; Ski - активная площадь затвора клапанов; hn,hn,hn - нредва-. рительное сжатие пружин предохранительного клапана, плунжера и втулки аварийного.клапана и блоков; А - "мертвый" ход золотника; п, - количество золотников в блоке клапанов; Su - площадь блока клапанов; ¡х - коэффициент расхода; р - плотность рабочей жидкости; Р„ - давление на выходе из предохранительных клапанов; S1T - площадь сечения трубопровода; 1|т - длина трубопровода

- жесткость, пружин; - нереме-

Блок-схема исходных условий.для выполнения расчетов по ОММ

Рис. 1

Х - коэффициент сопротивления; Е, - коэффициент местных потерь;

- объем газовых камер гидростойки и блока клапанов; п -показатель политропы; Ь, - раздвижность гидростойки; Ь3 - ход дифференциального поршня.

Решение практических задач проектирования гидросистем ГШО связано с определением оптимальной совокупности параметров с учетом высокой размерности векторного критерия и ограничений, а также нелинейных характеристик магматических моделей.

Задача многокритериальной векторной оптимизации гидросистем очистного ГШО в общем виде определена как:

Ф(А) внЬор!;

= (-7)

¿,си, £¿.1, Г\1г = ®,1 = {\,2.....к);.

■ Ф'"'п(Х)<Ф**;Фта(Х)>-Ф*; (8)

0(Х)>0,С(Х) = (ё!(Х),в2(Х),...,цДХ)), (9) '

где Фтт(Х) - 1рунпа минимизируемых критериев; Фти(Х) - группа максимизируемых' критериев; Ф* и Ф** - критериальные ограничения; О(Х) - функциональные ограничения.

Опенка качества функционирования гидросистемы многофункциональной. гидростойки определяется набором критериев (табл. 1). •

Таблица 1

Критерии оценки качества гидросистемы

Ф(А) =

Наименование критерия Функциональная Экстре-

зависимость му f.!

Коэффициент перегрузки -н =f(qllb,m4) Max

Запас прочности конструкционного kn=f(k„,km,k0) Max

материала =f(m<,,oq,q,lK)

Критерии надежности Чн =f(qc,ky) Min

РГ II —> Max

• k-rau — f(^гн'^им'м ) Max

Коэффициент полезного действия rj = f (Лд, Лс. ^ Max

Величина просадки штока liJIm =f(k„,hrt) Min

Продолжение табл. 1

Определяющее число газовой камеры Гп1к=«Р,к-У1К,Гс) Мт

Продолжительность действия сверхноминального давления ¿и

Величина параметра регулирования ПР = Г (к(/Р,Рск Дпк) Мах

Коэффициент начального распора К щ> = f (Рус ' ' рас > ^ д ) Мах

Скорость нарастания давления в испытуемой полости Мах

Аварийная податливость Мт

Удельная масса т =Г(Рг Еа Ь, п1к,Кн) М)'п

Здесь Ас - работа, совершаемая в системе крепь - вмещающие породы, Р1к - давление в газовой камере, Гс - газовая среда, - время, характеризующее быстродействие срабатывания предохранительного клапана, - расходная характеристика предохранительного клапана, Рск - давление срабатывания предохранительного клапана, {ик - время, характеризующее период работы предохранительного клапана, Рпс - давление, развиваемое насосной* станцией, зависящее от характеристики внешней гидросети, 1Р,С ■• продолжительность кинематического и силового распоров, V,;,, - обьем испытуемом полости, Оу - степень негерметичности гидросистемы, ¡1,,^, - запас раздвижности. • .

Из условия выполнения функциональных ограничении вычисляются локальные критерии, по которым оценивается качество гидросистемы. Значение каждого критерия проверяется на удовлетворение критериальному, ограничению и может быть рассмотрено при обработке результатов моделирования. .

Структурная схема системы для решения задачи многокритериальной оптимизации представлена на рис. 2.

Решение многокритериальной.задачи оптимизации делится на формирование методом ЛН-поиска Парето-оптимальцого множества решений и выбора решения из этого множества. Для зондирования области Варьируемых параметров А, определяемой параметрическими и функциональными ограничениями.

а>а^а"- г-1,- ■»; с/¿П^ЦрЛ'"!» = }.....у ; . (10) где и - число параметров (координат в многомерном пространстве), V - число функциональных ограничений. Для каждой точки ЛИ,- последовательности, размешенной в единичном гиперкубе, осуществляется переход в пространство параметров ро формуле:

ага,к!,<а"-а> (П)

Далее вычисляется вектор критериев Ф--{Ф)(а), Ф2(а), ...,

Фк(а)}, где Ф], Фг, Ф*. локальные критерии оценки гидросистемы в данной постановке задачи, к - число критериев.

Значения {ФЛ, У/еК, вычисленные по точкам, удовлетворяющим, ограничениям (8), будут допустимыми. Среди них имеются эффективные точки А«ер, и пе эффективные Дтери точки, образующие два непересекающихся множества с нечеткими грани-

цами, где I•= {1, 2, ..., М}. Выделение множества эффек-

тивных точек может быть выполнено процедурой оптимизации по Парето. Однако недостатком этого подхода является множественность оптимальных решений. Адаптация метода, выполненная В.А. Сушкнным и АЛ. Мерцаловым, позволили сократить множество оптимальных по Парето решений формированием множества эффективных решений, оценки которых заносятся в специальную таблицу испытаний, для улучшения анализа которой значения каждого критерия упорядочены по ухудшению сверху вниз. При решении задачи многокритериальной оптимизации возникает задача выбора точки Ал из множества Адои эффективных точек. Ада"'сО. Существует значительное количество способов объединения локальных критериев, ио п них невозможно полиостью избавиться от субъективности при выборе решения, т.к. выбор какого-либо конкретного решения затруднен из-за высокой степени неопределенности.

Указанный недостаток преодолевается разработанной в работе процедурой выбора и принятия решения, представленной на рис. '3. В основу положено: все критерии являются равноценными с точки зрения их вклада в совершенство разрабатываемой конст-,рукпии; ранжирование решений осуществляется минимизацией интегрального показателя, равного сумме рангов каждого критерия; решающее правило относится к классу адаптивных правил выбора решения.- т.е. все гипотезы проверяются для каждой конкретной ситуации выбора решений с использованием дополнительной информации, собираемой одновременно с анализом множества альтернатив. .

, Выполненная структурная оптимизация гидросистемы гидростойки показала, что без учета показателей организации ТОиР рациональна конструкция со, встроенными демпферными устройствами,, а с учетом показателен ТОиР - с вынесенными устройствами, хотя стоимостные показатели находятся в обратной зависимости. Установлено, что: при энергии нагружения свыше 2200 кДж и скорости нагружения свыше 0,30 м/с рациональна гидросистема, включающая гидростойку; демпферное устройство и предохрани-

Оптимизация параметров гидросистемы ГШО

Рис.2

тельный гйдроклапан повышенной пропускной способности; пр энергии нагружения от 1000 до 2200 кДж и скоростях нагруженг 0,10-0,30 м/с - гидросистема, включающая гидростойку и пред< хранительный гидроклапан повышенной пропускной сПособност] при меньших энергии п скорости нагружения - традиционные р< шения гидросистем гидростоек. При времени переходного в сш теме крепь - вмещающие породы менее 0,02 с. рациональна коне рукция гидросистемы гидростойки со встроенными демпферными

Решение задачи многокритериальной оптимизации параметров

гидросистем ГШО 1. Формирование множества оптимальных решений

м расчета Частный критерий

КЯ, кк2 кя, у .

1 X,' г„1 Г с/ •4}

■» X,3 . у? " с;1

3 У/ и с/

4 " X,1 V/ ■ ■ с/

::: :::

N Г~ х," У2П ъг с/

2. Формирование упорядоченного множества эффективных решений

№ КИ, Л КЯз № КЙ4 Л кт

рас- рас- рас-. рас- рас-

чета чета • чета чета чета

61 X,' 15 V/ _22 4 ■С/ 8

2 %? 7 ~1 V/ 18 .г,1 7 с,® 29

5- X," 25 "II" V.» V/ _э_ 9 _ г,1 29 с/ 5

22 X/ г,4 14 с/ 3

::: ■ ::: ■ ::: ::; | :::

N X n К V,-1 V с*1 С,

3. Преобразование упорядоченного множества эффективных решений во множество рангов критериев

№ Частный критерий

расчета КК, К1*. Кй, КШ

1 1 8 . 15 3 13

2 3 3 _ 6 2

3 8 N 1 2 1

4 к к 4 9 7

N 2 2 15 к Г" 8

4. Расчет обобщенных критериев решения задачи оптимизации:

л»

расчета

1+8+15+3+ ... +13=,

3 + 3+5+6+ ...+2 '

8 + 14 + 1+2+ ... +1 =

к+к+4+9+ ... +7 =

2+2+15+к+ ... 8

Сумма рингов

Й4

5 Принятие решения задачи оптимизации: =>ЩЩ

■ ' ■ I

' Рис 3

з

устройствами. Исследованиями были получены оптимальные параметры гидросистем гидростоек для крепей 10КП, 40КП70Б, МК75, БС2.1П, 1УКП, ДКС и других.

При оптимизации параметров гидросети механизированной крепи в качестве критериев были приняты: минимальные потери давления, максимальная пропускная способность, минимальная масса гидромагистрали. В результате исследований была разработана методика графоаналитического расчета внутреннего диаметра и толщины стенок напорной гндромагистрали в зависимости от • производительное?и насосной установки и удаления се oi забоя, принятых ограничениях на допускаемые потери давления и максимальные размеры трубопровода. Методика позволяет производить прямой и обратный расчет и оптимизацию параметров гидромагистралей. Исследованиями было получено оптимальное давление в тидросети 38,0 МПа, и оптимальное соотношения диаметров сливной и напорной гидромагистралей 1,38 для жестких и 1,46 для гибких трубопроводов.

Оптимизация параметров предохранительных гидроклапанов золотникового тина проводилась по критериям: максимальных быстродействия и пропускной способности гидроклапаиа при его минимальных удельной массе и перепаде, давлений открытия и закрытия. Исследованиями били Получены ик шмальиыо параморы гидрокЛанана обеспечивающие быстродействие срабатывания, пропускную способность не менее 7,5 дм'/с, перепад давлений открытия и закрытия не выше 8 %. На основе этого клапана был создан блок гидроклапанов, обеспечивающий защиту секции при ее внецентренном нагружении, в котором число параллельно соединенных клапанов равно числу гидростоек в секции крепи.

Оптимизация параметров гидросистемы выдвижки секции крепи обеспечила повышение скорости движения секции за счет автоматического переключения режима работы гидроцилиндра с обычного на дифференциальный и наоборот в зависимости от величины переменного внешнего сопротивления. Были определены оптимальные параметры переключения: на дифференциальный режим - при снижении давления в поршневой полости гндроцнлинд-ра до 7,5 МПа и обратоо переключение' njni достижении давления до 14.0 МНа для гидроцилинлров с отношением площадей поршня и штока 2,42.

Оптимизация параметров гидросистем механизмов, выполненных но треугольной схеме, очной m сгорон которой является . i и.фоцнлипдр, lic.iact. I; иапраълоннлл определения точек крепления 1нчроиилинлра на механизме при минимизации его тягового усилия. При эн>м ,про1рамма оптимизации была доработана таким oupuioM, чинш интенсивное!ь сужение интервала неопределенно- '.

сти находилась в обратной зависимости по отношению к скорости изменения критерия оптимальности, те.:

= (12) Г,

где ZP,.ZCT - расчетное и рекомендуемое значения параметра сужения интервала неопределенности, F¡+i, F¡ - величина критерия соответственно последующего и предыдущего шага расчета. Усовершенствование программы позволило повысить точность нахождения экстремума унимодальной функции на 6-8 %. Оптимизация параметров точек крепления гилроцилиндров стрелы и рукояти шахтного манипулятора позволила снизить тяговые усилия гидроцилиндра и соответственно нагрузки на металлоконструкцию манипулятора на 13-17 %.

По этой же методике были оптимизированы параметры гидросистемы регулирования положения исполнительного органа выемочного комбайна. Оптимизация проводилась с целью обеспечения заданного диапазона регулирования положения исполнительного органа, максимальной скорости регулирования, минимального Uli'OBUIO усилия гидрошыипдри н .давления lUCipoiÍKll cío upe-' дохранительного гидроклапана Математической молелью гидросистемы были исследованы следующие режимы работы: встреча одного резня исполнительного органа с крепким препятствием в угольном пласте и прорезание его в процессе установившегося режима работы комбайна; встреча нескольких резцов исполнительного органа с'крёпким препятствием при монотонном опрокидывании двигателя. При этом учитывались инерционные и колебательные нагрузки на исполнительный орган. Оптимизация параметров точек крепления гидроцилиндров снижает рабочее давление в гидросистеме и усилия в шарнирах в 1,7-2,3 раза, повышает скорость выполнения операций в 1,44 раза.

Расчет уровня показателей надежности работы гидрофиЦиро-ванных крепей основан на определении вероятности отказа соответствующей 1рсСуемом> Техническому уровню юхиологических систем'

* к (,3)

где q„ и qr - соответственно вероятности отказа технологических систем нового технического уровня и существующего технического уровня; kv - коэффициент технического уровня технологических систем, который может устанавливаться как соотношение пронз-водтельнисюн icxhojiüi нчсских систем нового и существующего, а также по другим известным зависимостям, обеспечивающим ра-

исиство к' - а - показатель, характеризующий уровень ирогресеив-иости технологической системы за счет повышения надежности применяемого оборудования и изменяющейся от 0,5 и выше, причем qc<0,5, •

Исходя из структуры взаимоувязанного оборудования в технологической системе и равной вероятности отказа, устанавливается вероятность отказа для гидросистем.крепей с)« но с!р>к|ур-иым формулам надежности. Коэффициент готовности имеет вид

к =-—- , (14)

Ч„»- Т Ли« 1д1.

где 1Д„- допустимое время прекращения заданной функции гидросистемы, рассчитываемое в требуемом регламенте работы технологической системы. Коэффициент технического использования

каг,/ к,'! (15)-

: '-к,.;:

Уровень безотказной работы Р,1К(0, интенсивности отказов А„к, времени безотказной работы {„к, затрат на надежность Сик-, времени наработки па отказ Т > среднего времени восстановления у , вероятности безотказной работы с учетом восстанавливаемости Р„к(у), экономического показателя надежности ¡; и коэффициента Эксплуатационных издержек ки1 .рассчитываются по известным зависимостям с учетом (13)- (15).

Обобщенное условие реализуемости параметров гидросистемы крени, связывающее в комплексе; силовые,' деформационные и энергетические параметры системы крець - вмещающие породы:

Кш Ко

где Рд, И,, - соответственно действующая и нормативная нагрузка, кп, Ниь НО - соответственно коэффициенты Перегрузки, условий работы и однородности конструкционных материалов, ос- коэффициент нагрузки (при статцческой - а=1, при динамичеркой- аг'1,5)

Приоиределении (16) учтено условие разрушения элементов крепи при циклической переменной нагрузке от сил горного дав-: легшя при.районе)ие прои¡ьедсниой внуфеиней рабо!Ы А„, необходимой для разрушения материалов элементов, исходя из того, чю вероятность безотказной работы Р(М) зависит-от. величины оста! очного запаса энергии А01, которую можно еще израсходовать. 1Ь ли;и риммы на) руления по А,, и к» выбирается материал, для ко-

торого рассчитываются допустимое число циклов нагружения к„ и частота периодической нагрузки Гц от сйл горного давления на основе установленного срока службы и интенсивности отказа материала элементов крепи.

Условия.функционирования гидросистем механизированных крепей реализуются на основе требуемого уровня надежности, определяющее необходимое соответствие параметров крепи горногеологическим и горнотехническим условиям эксплуатации:

'он,

т.е. технологические параметры - функциональные, которые характеризуют процесс крепления и поддержания выработок, выполняемый с учетом требуемого регламента.

Минимизация затрат в проблеме совершенствования ТОи!' оборудования обеспечивается путем разработки оптимальных ал горитмов действия, создания и внедрения систем распознавание технического состояния машин и механизмов

Решение поставленных задач организации ТОиР потребовало разработки Математической модели, обеспечивающей расчет переходных процессов, протекающих в испытуемой полости гидроэлемента и СТД, исследование различных диагностических признаков и параметров прогнозирования остаточного ресурса, многокритериальную оптимизацию конструктивных и режимных параметров. Расчетная схема модели СТД представляется как последовательное соединение устройс+ва, вырабатывающего тестовый сигнал, канала связи, элементов формирующих и управляющих сигналом и испытуемой полости гидроэлемента.

Математическая модель, адекватная модели СТД по критериям IV группы (форма кривых), учитывает сжимаемость жидкости, упругость гилрокинематнческон цепи, потери давления, силы инерции и трения, изменение свойств жидкости и газа о г давления и температуры. Уравнения связи между давлением, расходом и температурой жидкости, описываются системой'

О

(18).

<4V.QrQ.-Q,,

41 V р

ар о-о

I Г / 1Р

-г- = (ои-ои Е*---

ои у

где' Он -расход жидкости от- нагрузочного устройства; 'Л » - pacv.n i

жидкости на сжимаемость и упругую деформацию стенок; Оу, -утечки жидкости; V -объем испытуемой полости; аж, ам - коэффициент температурного расширения жидкости и металла; Р - коэффициент объемного сжатия; Еж - модуль упругости жидкости.

В ходе'выполнения работы был разработан и исследован способ технического диагностирования гидроэлементов, реализованный тремя системами СТД: аккумуляторного типа; с нагрузочным устройствпм и с помощью средств диагностирования, встроенных в гидроэлемент. В качестве диагностического признака обоснована скорость изменения давления в испытуемой полости.

Анализ СТД позволил установить критерий качества, используемые при оптимизации параметров: расчетный КПД, скорость нарастания давления, сопротивление движению подвижных частей," гидравлические потери давления, коэффициент запаса прочности стенок камеры высокого давления, степень сжатия газа и определяющее число газовой камеры, удельная масса и энергоемкость нш рузочното устройства. Варьируемыми параметрами при этом были: диаметр газовой (ДО и жидкостных камер высокого (сЬ) и низкого (Дг) давления камер нагрузочного устройства, давление (Р) таза, диаметры напорной (с!,,) й сливной (с1с) гидролйний, тол-шина (5)стенки камеры высокого давления.

Ирпользуя разработанную методику оптимизации, были определены оптимальные параметры всех типов СТД. Для СТД с нагрузочным устройством в исполнениях: со сливом (Сх~ 1) и без слива (Сх = 0) оптимальные параметры приведены в табл. 2.

. ' ■ . ■ Табл.2

Оптимальные параметры СТД с нагрузочным устройством

Сх п ' Д,. м Дг, м I <-Ь- м 5, м . (!„, м ) йс, м Р, МПг

1 469 75 0Л8Т1 0,178 | 0,066 0,019 0,01^ ПрТб 19,47

0 1000 43 0,170 0,147 | 0,063~ 0,015 0,020 1).015' 198,85

них решении. . . . ' .

Прогнозирование остаточного ресурса производится по нара-уетру, характеризующемуся отношением диагностических признаков испытуемого и эталонного гидроэлементов. Прогнозиррвание осуществляется с использованием случайной функции изменения параметра прогнозирования I в зависимости от наработки: .

- /<«ь /.ан в.г .(19)'

где 2 (0 матсматичсско'с ожидание параметра п функции наработки, " математическое ожидание параметра после процес-

са приработки, В2 - коэффициент, отражающий среднюю скорость изменения параметра, р - экспериментальный показатель.

. Для прогнозирования оптимальной наработки и периодичности ТОнР используются установленные проф. Степановым В.М. критерии реализации: максимальной производительности (Т0Нп) и минимальной себестоимости (Том<:), которые были интерпретированы с учетом технической диагностики:

гр _ 1цио и,

к

(20)

То« =

">t (Г +С t )

1-ЦкО V-^up 1цко'

сл,р>(0

где tTl> - время, необходимое для выполнения ТОиР; Кс - коэффициент; Сок - стоимость затрат; Сьр - стоимость единицы времени проведения ТОиР; tUK„ • наработка на начало цикла.

Выполненные исследования позволили установить уровень работоспособности, надежности и эффективности гидросистемы крепи от ресурса ее элементов. При этом предполагается, что наработка гидрооборудования связана с удельной энергоемкостью рабочего процесса следующей зависимостью:

W;"L, = const , ; (21)

где Wk - удельная энергоемкость рабочего процесса гидрооборудо-зания; L -общее подвигание крепи за определенный промежуток времени; m - показатель степени, индексы х и , б относятся соответственно к'проектируемому и.базовому оборудованию.

Удельная энергоемкость рабочего процесса гидрооборудова-ь'ия крепи связана с подвиганием, продолжительностью н работой за цикл следующей зависимостью:

- Wk = S (Z—) (3600 ЦГ' t„ > ' "(22)

и t,

где Aij - работа, произведеннаяj-й подсистемой оборудования, состоящего из ш. подсистем, при выполнении i-П операции цикла, содержащего и операций; t, - продолжительность i-ii операции; L,( -подвигание-; tu - общее время цикла.

Величина работы определяется по выражению:

Aij = N;, t, = Pi-Qi't, , (23)

где Njj - средняя мощность, развиваемая приводами j- й подсистемы гидрооборудовання при выполнении i-й операции; ?! - среднее давление рабочей жидкости на выходе из насосной станции; Qi -средняя подача рабочей жидкости в гидросистему.

Прогнозирование ресурса с учетом (21) (23) производится по следующей зависимости:

n m А .. n m А .

LriSdflt.L/iKI-lt.UTL, (24) .

W >1 Ii И И ti

Достоверность полученных зависимостей и установленных, оптимальных параметров гидросистем ГЩО и средств технического диагностирования обоснована стендовыми испытаниями, выполненными но исследовательским методикам, разработанным автором совместно со специалистами ПНИУИ, ТулГУ, ИГД им. A.A. Скочннского, ЦНИИСК, ВНИМИ, заводов-изготовителей оборудования. Исследования гидросистем механизированных крепей, средств малой механизации, гидростоек, гидроаппаратуры проводились на стендах АО "СЭЗ", ОАО "КРАН", ПНИУИ, ЦНИИСК и ВНИМИ, технические параметры которых рбеспечивали условия эксплуатации гидросистем ГШО. 4

Достоверность обобщенной математической модели гидросистем гидростоек экспериментально обоснована стендовыми испытаниями и исследованиями переходных процессов в поршневых полостях универсальных гидростоек ГСН н ГДСЗ. Результаты обработки осциллограмм, полученных во время испытаний гидростойки с Включенным или отключенным демпферным устройством, поршневая полость которой защищалась различными предохранительными устройствами, приведены ь габл. 3.

Исследования показывают, что разработанные на основе оптимизационного расчета решения элементов гидросистемы гндро-стоек, предохранительных гидроклапанов, .блока гидроклапанов и вариантов демпферных устройств, по показателям качества являются более эффективными, чем-серийные. n

В результате исследований гидростойки ГСН с демпферным устройством установлено., что превышение пикового давления по отношению к давлению срабашвання иредохрашисльно)о устройства меньше в 1,27 - 2,5 раза, чем у серийных гидростоёк. Эффективно защищает поршневую полость серийной гидросто^кк'оптимизированный предохранительный гидроплана;) К.00.ООО, у которого превышение пикового давления над номинальным 24,3 %, тогда как при работе гидростойки с серийным гидроклаг^дном- 42 %. Увеличение пропускной способности блока-клапанов путем включения в параллельную работу двух гидроклацанов позврлцдо снизить заброс пикового давления с 50% до 38%. По критерию длительности пребывания поршневой полости гидростойки под давлением выше номинал/ лого наиболее эффективным является предохранительный гидроклапан К.00.000, у которого 1=104 мс, тогда как у серийного t=263 мс. При совместной работе гидростойкн с демпферным устройством с клапаном К.00.000 превышение пиковок) давления над. номинальном составило-9,5 % на протяжении

Таблица 3

Результаты испытаний гидросистемы гпдростойкп на динамическом стенде

Наименование параметра . Тип предохранительного устройства

ГВТН 10-01 К.00.000 БК.00.000 (1 клапан) БК.00.000 (2 клапана) Отсутствует

Давление начального распора, МПа 30.

Давление газа.в газовой камере, МПа 0 ГТо 0 10 - 0 10 0- 10 0

Давление настройки предохранительного устройства, МПа 42,0 42,0 41,0 41,4 5 41,5 44,5 46,0 40,0 - -

Максимальное давление в поршневой полости гидростойки, МПа . .56,7 59,9 44,0 51,6 61,5 69,0 58,2 66,5 65,7 70,0

Вромя.роста давления, мс. 30,0 28,0 30,0 28,0 44,0 26,0 35,0 27,0 30,0 28,0

Время спада давления, мс. 460 398 168 162 240 314 312 406 - —

(Продолжительность действия повышенного давления, мс. , 298 263 56,0 104 264 335 155 280 - -

Длительность динамического нагру-; асения, мс. 496 426 224 188 540 577' 462 510' - —

[Скорость нагружения, МПз/с г702 1060 413 830 715 1500 403 1355 495 1770

! Скорость сброса давления, мс. • 82,0 92,0 92,0 133 73,0 77.0 41,0 71,0 - -

Просадка штока до максимального ', зпчения давления, адм 17,3 13,0 22,7 10,9 23,2 13,0 9,8 6,4 19,5 10,8

Просадка штока гидростойки, мм 35,6 32,0 Г46Т5 41,6 39,9 38:3 25,5 31,9 19,5 10,8

! 'Заброс давления, % " . 33,0 . 42,0 9,5 24,3 30, 150,0 21,0 38,0 - -

• Ланление в ресивере, МПа 50,0

Примечание. При давлении газа в газовой камере равном 0 МПа гидростойка работает без демпферного устройства • ' , ■

М

56 мс, с блоком клапанов 21 % и 155 мс (2 гидроклапана), с блоком клапанов 33 % и 214 мс (2 гидроклапан), с серийным гидроклапаном - 38 % и.298 мс. Гидросистема гидростойки позволяла повышать величину начального распора до величины настройки предохранительного гидроклапана. Скорость нарастания давления при этом достигала 82,2 МПа/с.

Экспериментальные исследования гидростоек 1УКП проводились в ЦНИИСК на стенде'аккумуляторного типа. Обработка результатов испытаний показала, что при динамическом нагружегпги гидростоек энергией .30 кДж снижение динамических нагрузок гидростойки составляет 21 % (при минимальной раздвижности. штока 0,14 м) и 26 % (при максимальной раздвижности штока 0,535 м). Результаты измерений смещения штока гидростойки относительно цилиндра показали, что они имеют характер, подчиняющийся нормальному распределению с математическим ожиданием т=0,019 м, срсднеквадрагическнм отклонением 0=0,0033 м и с наибольшей величиной h=0.028 м, что соответствует расчетному значению. . ' ,

Испытания гидросистем передвижения секции крепи проводились на стенде ЛО "ПНИУИ", позволяющем в широких пределах изменять величину внешнего сопротивления. Длительность операции движения секции крепи уменьшилась в 1,86 раза. Исследованиями были установлены оптимальные соотношение давлений переключений режима работы гидроцилиндра в зависимости от соотношения диаметров его поршня и штока:

, (25)

где Р0.д, Рд.о - соответственно давления переключения с обыкновенного режима работы на дифференциальный режим, к - коэффициент запаса усилия (коэффициент надежности), а - коэффициент мультипликации гидроцилиндра. •

Экспериментальные исследования систем технического диагностирования различных типов подтвердили теоретически установленные области их рационального применения: для СТД аккумуляторного типа - проверка контрольно-распределительной гидроаппаратуры; для СТД с нагрузочным устройством - проверка силовой гидроаппаратуры; для гидроэлементов со встроенными диагностическими устройствами - проверка гидроцилиндров различного назначения, работающих в режиме гидросТойки.

Обработка экспериментальных осциллограмм, полученных при испытаниях гидроблока на стенде аккумуляторного типа, riq-зволила установить зависимости изменения давления жидкости: .

в фазе роста давления: Р,(0 = Ро, + Pne'" s'n((0t + ф)> ■ (26) в фазе падения давления: „ е ■ (27)

Коэффициенты ß, со, ip зависят от объема и степени исправности гидроблока: ß = -1,34; ш = 561; <р = 3,142 -для герметичного гидроблока и ß = -90,43; со = 698,1; <р = 0—для негерметичного гидроблока, диагностические признаки составляют соответственно: 7550 МПа/с и 2825 МПа/с, предельное значение параметра прогнозирования Z=2,67, коэффициент готовности kr=0,84.

Исследования, выполненные на СТД с нагрузочным устройством, позволили установить минимально допустимую продолжительность-процесса регистрации параметров переходного процесса:

. _ (28)

где m-коэффициеит, зависящий от уровня точности регистрации параметров процесса и изменяющийся в диапазоне ш = 0,92 - 0,97, V,, - объем жидкости в камере высокого давления нагрузочного устройства, [Qvt] - допустимый уровень утечек жидкости. Величина [Qyr] рассчитывается: для гидростоек - по скорости конвергенции вмещающих пород, для других устройств - по критериям предельных сосюяний, приведенным в нормативной документации..

Обработка осциллограмм позволила установить параметры диагностического признака, составляющих в фазе нарастания давления: 2,06 МПа/с для герметичного гидроцилнндра и 1,57 - для негерметичного, а в фазе падения давления соответственно: 0,0 и 0,475 МПа/с; предельные значения параметра прогнозирования Z=!,35 vi коэффициента готовности к, =0,89.

Обработка экспериментальных данных исследований гидростоек со встроенной СТД показала, что величина диагностического признака герметичной поршневой полости составила 7S МПа/с, коэффициент готовности 0,97. Кроме этого на осциллограммах хорошо прослеживаются уровни давлений открытия и закрытия пре-дохраннюлыю! о tидрокланана, чю позволяем судить о сюпеиц их .¡спрапности, пределах настройки и качестве функционирования.

Выполненные стендовые исследования показали хорошую сходимость теоретических и экспериментальных данных, погрешность кбторых не превышала 9,5 - 13,2 %.

Методики шахтных исследовании, разработанные автором совместно со специалистами ШШУИ, ТулГУ, ИГД им. A.A. Ско-Ч f 111 с к ого, ВНИМИ и шахт, обеспечивали получение объективной и достоверной информации о параметрах взаимодействия гидрофи-цирояанных крепей с вмещающими породами, техническом состоянии гидрооборудования, определение надежности и эффективности работы гидросистем очистного Г|1Ю. Планирование эксперимента, примененное испытательное оборудование, средства из-

мерений и регистрации параметров обеспечивали единство измерений при стендовых и шахтных исследованиях.

Шахтные испытания гидросистем крецей с гидросторками ГДСЗ, предохранительными гидроклапанами К.00.000 и' блоками клапанов БК.00.000 проводидисъ в лаве 19 первого рудоуправления ПО "Белорускалий" в составе очистного комплекса БС.2.1П. Вмещающие породы представлены маломощными чередующимися пачками калийной соли и солеиосиой глины, что обусловило и* склонность к блочному обрушению с динамическими нагрузками иа креиь. Гидростойки ГСН испытывалйсь в лаве. № 34 шахты "Подмосковная" АО "Тулзуголь" со слабыми неустойчивым« вмещающими породами.

Значения начального распора серийных гидростоек составляли 14,9-28,5 МПа в лаве № 19 и 8-22 Мра в лаве № 34. Начальный распор гидростоек ГДСЗ составлял 28-29 МГ1а, гидростоек ГСП -колебался ог 27 до 38 МГ1а, что было обусловлено недостаточной несущей способностью почвы и ограниченным ходом дифференциального поршня, не позволявшим штоку гидростойки выдвинуться на величину более 12 лш при работе системы.повышения начального распора. Коэффициент начального распора при этом составлял; 0,37-0,71 - для серийных гидростоек и 0,87-0,9 - для стоек ГДСЗ; 0,2-0,55 - для серийных гидростоек и 0;67-0,95 - для гидростоек ГСН.

Сопротивление секции крепи с гндростойками ГДСЗ бцдо практически постоянным и соответствовало номинальному значению 2400 кН в то время как сопротивление.секции крепи с серийными гидростойками колебалось в пределах от 852 до 2174 кН. Сопротивление секции крепи ЮКП с серийными гидростойками колебалось от 161 кН до 804 кН, а с гидростойками ГСП от $42,7 до 804 кН

Результаты щахтцых исследований показали, что оптимизированная гидросистема гидростойки позволяет: увеличить реличи .ну начального распора до величины настройки предохранительно го клапана и снизить на 70-80 % объемы »ывалой; увеличить' ско рость кинематического распора гидростойки из 15-20 %, что уве личивает скорость крепления лавы на 16 %; снизить в 3-5 раз тру доемкость передвижения секции из положения "»»ажестко"; автс Магически увеличивать несущую способность секции крепи на 25 27 % при раздвижностн гидростойки менее 100 мМ и уменьшит опускание кровли на 8-9 %. Реализация гидросистем гидростоек оптимальными параметрами обеспечила достижение максимален возможного коэффициента падежноЬти взаимодействии механиз! рованнон крепи с вмещающими породами 1<в,)=0,97 за счет доет!

жения оптимального значения коэффициента начального распора, достигающего значения 0,95РноМ.

Шахтные испытания показали, что гидросистемы гидростоек с оптимальными параметрами повысили надежность механизированных крепей и их взаимодействие с вмещающими породами п среднем на 18 % при статических и динамических нагрузках на крепь со стороны вмещающих пород. По сравнению с серийными гнлростонками пиковое давление в поршневой полости гидростойки ГДСЗ на 36-45 % ниже, применение блока клапанов снизило пиковое давление на 10-15 %, клапанов К.00.ООО - 7-10 %.

Шахтными исследованиями ус+ановлены закономерности изменения коэффициента готовности от ширины незакрепленного пространства, объемов вывалов и величины начального распора:

К

k"* ~ („ + 0,065к,т + 0,58е'4М4к"р ' (29)

V„= 0,071 емш* , (30)

где VB - объемы вывалов, Сн - величина незакрепленного про1 странства, к1ф- -коэффициент начального распора.

Оптимальная величина начального распора способствовала улучшению взаимодействия поддерживающего элемента крепи с кровлей, что уменьшило ширину зоны незакрепленного пространства в 1,3-2,65 раза и обггмов вывалов в 1,5-3,2 раза, повысило коэффициент готовности очистной выработки на 29 - 37 %. Повышение надежности крепи достигается.снижением нагрузки на элементы крепи при динамических процессах в системе крепь - вмещающие породы на 36-45 %.

Аналитические исследования работы гидросистем гидростоек выявили зависимость' диагностического признака от горногеологических условий. Поэтому были проведены сравнительные исследования в лавах с прочными и слабыми вмещающими породами. Исследования показали значительные различия параметров переходных процессов при работе гидрсГсистеМ в этих условиях. Для слабых пород до 60 % возможного хода щтока гидростонки при дораспоре крепи приходилось на вдавливание оснований и перекрытия во вмещающие породы, что приводило к снижению скорости изменения давления в поршневой полости. Установлена необходимость двух - трехкратного обжатия пород перед началом диагностирования. Исследования скоростей конвергенции вмещающих пород показали, что в обоих случаях скорость подчиняется гамма распределению и составляет в среднем: 0,998 мм/ч при среднеквадратическом отклонении о=1,074 мм/ч для лавы № 19 н i.,83 Мм/ч при а = 2,86 мм/ч для лавы № 34. Максимальная скорость опускания кровли в лаве № 19 составляла при этом 180 мм/ч.

Полученные данные позволили рассчитать значения величин,'вводящих в (28), для выбора и настройки регистрирующей аппаратуры и последующего анализа технического состояния гидросистемы поршневой полости гидростоек и стоечного гидроблокз. Техническое диагностирование гидросистем поршневой полости гидростоек выявило не совпадение паспортных показателей работоспособности газовых предохранительных гидроклапанов с фактическими показателями. На основании исследований были уточнены и скорректированы в конструкторской документации сроки периодического контроля герметичности гидроклацанов, обеспечивавшие надежную работу гидросистемы.

Исследования оптимизированной гидросистемы передвижения секции крепи 1МКМ проводились в лаве № 34 шахты "Дубов-ская". Исследования показали, что время передвижения секции уменьшилось на 7 с.

Испытания автоматизированного регулирования и управления системами распора и передвижения крепи 2УКП проводились в лаве № 1023-з пласта Мощного шахты "Нейтральная" АО "Воркута-уголь" и в лаке № 4-7-13 шахты "Распадская". Испытания позволили улучшить контактирование крепи с кровлей, объемы вывалов сократились на 8 - 12 %, скорость крепления возросла из 7-9 %.

Расхождение между теоретическим» и экспериментальными исследованиями не превышало 14 - 19 %.

Экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 125 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Диссертационная работа является научным квалификационным трудом, в котором на основании выполненных автором исследований и разработок изложены научно обоснованные технические и технологические решения обеспечения надежности и эффективности очистного горно-шахтного оборудования, направленные н£ повышение уровня обоснованности т!раметров. гидросистем г средств технического диагностирования за.счет их структурной г параметрической оптимизации, уменьшения степени неопределенности принятия решения задачи многокритериальной опт'имнзацш и организации технического обслуживания и ремонта оборудова ния, основанного на учете изменения ресурса, диагностировании 1 прогнозировании его технического состояния, внедрение которы: вносит значительный вклад в ускорение научно-технического про грееса при подземной разработке пластовых .месторождений.

1. Установлены закономерности функционирования гидра

систем очистного горно-шахтного оборудования и средств технического диагностирования, учитывающие многовариантное сочетание различных конструкций гидроэлементов и обеспечивающие решение задач структурной и параметрической оптимизации, создание и совершенствование гидроеие1ем оборудования реализацией требований надежности и эффективности в зависимости от их связей с функциональным состоянием и технологической схемой работы, параметрами и нагрузками на элементы, диагностированием и прогнозированием технического состояния.

Разработаны методические основы уменьшения степени неопределенности принятия решения задачи многокритериальной оптимизации гидросистем очистною горно-шахтного оборудования и средств технического диагностирования за счет формирования методом ЛП-поиека Паре-то-онтималыюго и упорядоченного эффективного множеств решений и преобразовании их в упорядоченное множество рангов критериев заменой значений критериев их рашами.

2, Разработаны методологические основы прогнозирования ресурса гидрооборудования на стадиях проектирования и эксплуатации, основанные на учете изменения ресурса оборудования я функции выполнения работы и технической диагностики для достижения максимально возможной его надежности,

3. Разработана обобщенная математическая модель гидросистемы очистного горно-шахтного оборудования и средств технического диагностирования, позволяющая в зависимости от исходных данных получить математические модели их составляющих компонентов. учитывающая многовариантное сочетание конструкций гидроэлемон гов, обеспечивающая решение задач с1рукт}рнои и параметрическом • оптимизации, создание а совершенствование гидросистем но критериям надежности и эффективности.

4. Получены зависимости, устанавливающие и оптимизирующие взаимное влияний схемных решений и конструктивных пара-метро р.

а)-гидросистем механизированных крепей■на продолжительность выемочного цикла и ресурс гидрооборудования;

б) гидросистем секции' крепи на надежность и скорость крепления забоя;

в) гидросистем гндростоек на продолжительность кинематическою и силового распора, величину начального распора и аварийную податливость;

Г) гидросистем механизмов, выполненных по треугольной схеме, одной из строи которой является гидроцнлнндр на величину тятог.ото усилия гидроцилиндра, усилия в шарнирах и мешлло-конструкцин механизмов.

5. Установлено, что:

а) регулирование начального распора и сопротивления гидростоек крепей повышает эффективность их взаимодействия совмещающими породами, что позволило уменьшить ширину зоны неконтактирования перекрытия крепи с кровлей в 1,3-2,5 раза и объемы вывалов в кровле в 1,5-3,2 раза, повысить коэффициент готовности очистной выработки на 29 - 37 %;

б) оптимизированные параметры гидросистемы гидростойки позволяют на 15 - 20 % повысить скорость ее кинематического распора и обеспечить гарантированную величину начального распора достигающего 95 % давления настройки предохранительного гидроклапана;

в) применение в конструкции гидросистемы гидростойкн оптимизированного механизма аварийного запаса хода снижает в 3- 5 раз трудоемкость передвижения секции из положения "нажестка";

г) автоматическое изменение режима работы гидростойки на повышенную в 1,25-1,27 раз несущую способность при минимальной раздвижности крепи уменьшает опускание кроплп на 8 - 9 % .

6. Установлено, чго оптимальный выбор параметров закрепления гидроцилиндров обеспечивает снижение рабочего давления в гидросистеме и усилий в шарнирах п 1,7-2,3 раза, повышение скорости выполнения операций с 1,44 раза, снижение металлоемкости несущих элементов металлоконструкции на 13. - 17 %

7. Определены условия реализуемости технической диагностики гидросистем, учитывающие коэффициент надежности но выполнению функций и значение начальной длительности Цикла пр! креплении выработанного пространства, организацию технического обслуживания и ремонта, длительность одной проверки, аир,') ирную вероятность отказа и стоимость'проверки, ¡¡ормиругогцн: порядок диагностирования на стадиях изготовления и эксплуата пни дли достижении максимально возможной надежносш.

8. Установлены дна«ностичеекин при знак, обоснованы опт и малыше параметры и область рационального применения, разра боышы алгоритмы диагностирования технического состояния'гид роеисгем с причинением различных средств диагностирования.

9. Моделирование работы гидропривода позволило установит закономерности, изменения остаточного ресурса гидросистем, 01 кованные на учете изменения ресурса оборудования в функци выполнения работы, и безразмерном параметре его прогнозиров. ния, определяемом при техническом диагностировании гндроэл! мен юн. Пределы изменения парамет ра прогнозирования в завис] мое I и о1 I орно-гео.чо'гических условий эксплуатации'и констру ¡нвных особенно!. 1еи I идро тдемен ин. сое1аи>ып 1,35-2,67.

10. Разработаны раниональные технические и технологические >ешения гидросистем и элементов гидропривоца, защищенные аварскими свидетельствами на изобретения, позволяющие повысить гадежиость и эффективность работы машин и механизмов.

11. Основные научные и практические результаты работы реа-шзованы:

АО "ПНИУИ", ИГД им. А.Л. Скочииского, ГП "ВНИМИ", АО Крангормаш", ТулГУ при: разработке технических заданий: па юдсистему САПР по механизированным комплексам по работе 'Гибкие производственные системы (ГНС) на базе САПР по ос-швным процессам п видам очистного оборудования мехкомплек-:ов для использования в индивидуальных условиях шахт", "Ис-¡одных технических требований на разработку стенда ресурсных. тинамических и импульсных иагружений (СРДИ)", "Технических требований на разработку системы повышения начального распора секции механизированной крепи (СПР)", "Технических требований га создание гидростоек с дополнительной полатдчвос-тьго и новы-ленным начальным распором" ¡г др.; при проектировании гидросистем механизированных крепей 1МКМ, МК75, МКБ, I У К11. >УКП, 2УКПВ, 2УКП5, КПМ, КСМ,ТСМ1С 700/800 и др.; при создавши гидростоек с регулируемыми в комплексе начальным паспо-том, сопротивлением и аварийной податливостью и встроенными устройствами технической диагностики для очистных комплексов I У (СП, МК75, ЮКП, БС2.П1, агрегатной штрековой крепи АНИС и сомллекта оборудования длИннокамерной системы разработки ЦКС; гидростатических приводов ПГШ шахтных подвесных моно-зельсовых и напочвенных канатных' дорог: универсальных шахт-тых манипуляторов; приводов выемочных машин с домкратной системой подачи; систем подвесок режущих органов очистных комбайнов; разработке распределительной и контролирующей ап-таратуры, предохранительных тидроклапанов с улучшенными динамическими и расходными характеристиками; при создании стенное исследовательских' и приемо-сдаточных испытаний различного горно-шахтного оборудования.

Системы технической диагностики аккумуляторного типа, с нагрузочным устройством и со встроенными элементами реализованы в конструкциях, непитательных стендов, внедренных и АО 'ПНЙУИ", АО "СЗЗ" и Используемых Па стадии изготовления и ремонта гидроэлементов. Система технического диагностирования .нагрузочным устройством и гидроетойки со «строенными средствами диагностирования внедрены в ПО "Еолирускллий", ОАО "Тулауголь" АО "УК К'узнепкуголь". АО "К'арагандауголь" и яр.

Гидросистемы механизированных крепей, выемочных комбайнов, средств малой механизации, монгажно-демонгажных машин м

механизмов, многофункциональных гидростоек и гидроаппаратуры внедрены на шахтах Подмосковного, Донецкого, Кузнецкого, Печорского и Карагандинского угольных бассейнов.

Результаты работы использованы АО "ПНИУИ" и ИГД им. A.A. Скочинского при составлении руководящего документа "Парораспределители механизированной крепи. Типовая методика предварительных и приемочных испытаний", методик "Диагностирование технического состояния способом гидравлического нагружения и прогнозирование остаточного ресурса элементов гидропривода механизированной крени", "Оптимизация и выбор конструктивных и режимных параметров системы технического диагностирования элементов гидропривода способом гидравлического нагружения".

Экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 125 тыс. руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

]. Подколзии A.A., Михайлов И.Ф. Попов А.Г. Совершенствование гидропривода механизированной крепи 2УКП /ПНИУИ. Совершенствование техники и технологии разработки угольных пластов Подмосковного бассейна. Сб. научи, тр. Новомосковск.-1986.

2. Подколзии A.A., Михайлов И.Ф., Сиигирев В.М. Результаты испытаний гидропривода очистного механизированного комплекса УМК/М. Недра, Уголь Ка 4, 1977.

3. Подколзии A.A., Швыряев С.И., Полей Л С.'Совершенствование гидропривода механизированных крепей/Технология разработки и прогнозирование горно-геологических условий залегания угольных месторождений Подмосковного бассейна; Сб. науч. тр. /ИГД им.' A.A. Скочинского, ПНИУИ.- Тула, 1988. - С. 27-30.

4. Подколзии A.A. Стенд для ресурсных испытаний элементов гидропривода горных машин /Тульский ЦН'ГИ - Тула.-!989.

5. Подколзии A.A. Техническая диагностика и прогнозирование надежности элементов гидропривода механизированной крепи //Совершенствование техники и технологии ведения торных работ на шахтах Подмосковного бассейна: Сб. науч. тр. /ИГД им. А.А.Скочинского, ПНИУИ,-Тула.-1990.

6. Подколзии A.A., Степанов В.М. Экспериментальные исследования метода динамического нагружения для диагностики технического состояния элементов гидропривода//Подземная разработка тонких и .средней мощности угольных пластов: Сб. научи, тр.- Тула.-1990.

7. Подколзии A.A. Анализ методов диагностирования и контроля технического состояния гидропривода горных ,машин

//Комплексная механизация горных' работ: Сб. науч. тр.- Тула -1991.

8. Подколзин A.A. Прогнозирование остаточного ресурса элементов гидропривода. М .: 1991,- 10 с - Деп. в ЦНИЭИуголь 18.03.91., № 5254.

9. Подколзин A.A., Степанов В.М. Математическая модель технического диагностирования гидропривода способом динамического нагружения. М.: 1991,- 10 с-Деп,- в ЦНИЭИуголь 18.03.91.,№ 5256.

10. Подколзин A.A., Сушкин В.А., Степанов В.М. Оптимизация параметров системы технического диагностирования элементов гидропривода//Механизация и автоматизация процессов добычи угля на шахтах Подмосковного бассейна: Сб. научи. тр./ПНИУИ,-Тула.-19.91.

11. Степанов В.М., Швыряев С.И., Подколзин A.A. Исследование работы гидростойки с гидроаккумулятором//Подземная разработка топких и средней мощности угольных пластов: Сб. иаучн. тр.-Тула,- 1991. . -

12. Мерцалов А.Н., Сушкин В.А., Подколзин A.A. Прогнозирование параметров горной машины//Совершенствование техники И технологии ведения горных работ: Сб. научи. тр./ПНИУИ - Тула.- 1992. . . .

13. Подколзин A.A. Результаты исследования гидроимпульсного нагрузочного устройства для технического диагностирования гидроэлементов//Совершенствование техники и технологии ведения горных работ: Сб. научи. тр./ПНИУИ,- Тула.- 1992.

14. Подколзин A.A., Степанов В.М. Методика диагностирования технического состояния способом гидравлического нагружения и прогнозирования остаточного ресурса элементов гидропривода механизированной крепи. М.: 1992,- 50 е.- Деп. в ЦНИЭИуголь 17.08.92, № 5394.

15. Подколзин A.A., Сушкин В.А., Степанов В.М. Методика оптимизации и вйбора параметров системы технического диагностирования гидропривода машин. М.: 1992,- 48 е.- Деп. в ЦНИЭИуголь 17,08.92.-№ 5395.

16. Стендовые испытании гидроустройств механизированной крепи/А. А.Подколзин, С.И.Швыряев, С .Т. Баранов. А.Н.Галаев, С.В.Поляков//Совершеиствованне техники и технологии ведения горных работ; Сб. иаучн. тр./ПНИУИ,- Тула,- 1992.

17. Швыряев С.И., Подколзин A.A. Результаты' аналитических исследований работы блока предохранительны : клапанов секции крепи//Техника и технология подземной добычи угля: Сб. научи. тр./ПНИУИ,- Новомосковск - 1993.

J8. Гидрораспределители механизированной крепи. Типовая методика предварительных и приемочных испытаний. Руководящий документ. Москва, ИГД им. А.А, Скочинского, 1995. -

19. Структурный анализ и оптимизация параметров гидросистем гидростоек/Подколзин A.A., Сушки и В.А., Степанов В.М. Щвыряев С,И.//Совершенствование технологий подземной разработки угольных месторождений: Сб. науч. тр./ПНИУИ. Новомосковск. - 1995.- С. 47.

20. Подколзцн A.A., Подкопаев А.Н , Степанов В.М. Многофункциональная агрегатная штрековая крепь//Совершенствовани« технологий подземной разработки угольных месторождений: Сб науч. тр./ИНИУИ. Новомосковск. - 1995. - С. 111.

21. Устройство для привода исполнительного органа горное машшш/В.Г. Раевский, С.Ф. Юрьев, A.B. Илыоща, A.A. Подколзш М.: Недра, Уголь № 9, 1994,

22. Подколзин A.A., Степанов В.М. Повышение эффективно сти добычи угля иа основе совершенствования гидропривода кре пи//Перспективы развития горнодобывающей промышленности тезисы докладов на Ш международной научно-практической кон ференции - Новокузнецк, Сибирская государственная горио-метй ллургическая академия, 1996.

23. Повышение эффективности систем шахтногр Tpáncnopi основных и вспомогательных грузов//А. А Подколзин/Тезису до! лада Международном конгрессе (г. Белград). 1996. ,

24. Подколзин А.^., Цыплаков Б.В. Повышение эффектиРШ сти очистных работ в современных условиях/Состояние и nepcnei тивы развития техники и технологии очистной выемки угля » uiaxiax Восточного Донбасса, г. Шахты, 1998.

25 Подколзин A.A., Голуб В.П. Обоснование оптимальнь параметров гидромагистралей механизированной крепи/Проблем разработки месторождений полезных ископаемых центрально региона Российской Федерации. Тезисы докладов. Под обш. ре канд. техн. наук ТулГУ И.И. Сарычера. Тула. 1998. С. 59-60.

26. Подколзин A.A., Голу& В.П., Цыплаков Б.В. Повышен эффективности очисгль)х работ в . современных услови* /Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых це трального региона Российской Федерации. Тезисы докладов. И общ. ред. канд. техн. наук ТулГУ В.И. СарЬщ'ева. Тула. 1998. 61-61.

27. Почуев Ю.Г., Подколзцн A.A. Средства автоматизаи очистных комплексов//Механнзация н автоматизация процес< добычи угля на тахтах Подмосковного бассейна: Сб. ца тр/ЛШИУИ Тула. - 1991. С. 46.

28. INCREASE OF EFFECTIVENESS OF MINE TRANSPORTATION SYSTEMS USED FOR MAIN AND AUXILIARY FREIGHT TRANSPORTATION A.A. Podkolzin (Russia), 3rd International Conference on Vine Haulage and Hoisting, Belgrade, 1996.

29. A-.c.Jfe 752039 СССР, Е21Д 23/16. Гидропривод секции механизированной крепи, И.Ф. Михайлов, Э.Э. Приб, A.A. Подколзин; Опубл. 30.07.80.

' : 3d. A.C.№ 922287 СССР, E2IД 23/16. Гидросистема секции креПи Л.С. Полей- B.C. Морозов, И.Ф. Михайлов, В Т. Сычев, П.Н. Нужнов, C.B. Николаев, С.Й. Швыряев, A.A. Подколзин; Опубл. 23.04.82.

31. А.с,Na 1086175 СССР, Е21Д 15/44. Гидравлическая стойка шахтной крепи Л.С. Полей. Ю.Г. Сиротин, И.Ф. Михайлов, II.Д. Романов, С.И. Швыряев, H.H. Нужнов, В.Е. Парфенов,

A.Ä. Подколзнн; Опубл. 15.04.84.

.32. А.с.№ 13001.53 СССР, Е21Д 23/16. Гидросистема секции крепи А.Г.Поцов, А.А.Подколзин, В.А. Потапенко, В.Д. Потапов. И.Ф. Михайлов, C.B. Николаев.. В.В. Бондаренко, A.B. Онопко,

B.И. Яковлев, В,С. Морозов; Опубл. 30.03.87.

.33. Д.с.№ 1.5.83623 СССР, Е21Д 23/16. Устройство дистанционного управлений секцией крепи С.И. Швыряев, Е.К. Зтикин, Ю.П. Дубовскин, Л.С. Полей, A.A. Подколзин; Опубл.07.08.90.

.34. А.с1411494 СССР, Е21Д 15/44. Гидравлическая стойка шахтной крепи С.И.' Швыряев, A.A. Подколзин, Ю.П. Дубов-ский, Л.С. Полей, И.Ф. Михайлов, Е.К. Заикнн; Опубл. 23.07.88.

35.. А.с.№.1634797 СССР, Е21Д 23/16. Гидравлический распределитель В.М.. Филатов, В.Т. Сычев, A.A. Подколзин; Опубл. 15.03.91.

36.;А.с.№ 1652603 СССР, Е21Д 23/16. Стоечный гидроблок

C.И. Швыряев,. А:А..Подколзин, Л.С. Полей; Опубл. 30.05.91.

37. А.с.Ка 1686158 СССР, Е21Д 31/00. Устройство для привода исполнительного органа горной машины В.Г. Раевский, С.Ф. Юрьев, A.B. Илыоша, A.A. Подколзин; Опубл. 23.10.92.

"38. А,с.№ 1740683 СССР, Е21Д 23/16. Блок управления секцией' механизированной крепи Л.С. Полей, С.И. Шиыряев, A.A. Подколзин, Ю.П. Дубовскин, Е.К. Заикнн; Опубл. 15.06.92.

39, A.c.№ 1763672 СССР, Е21Д 15/44. Способ технического диагностирования элементов гидропривода шахтной крепи A.A. Подколзин, С.И-. Швыряев, В.М. Степанов, Опубл. 23.09.92.

40. А.с.Ка 18.00052 СССР, Е21Д 23/16. Гидросистема секции механизированной крепи С.И,. Швыряев, A.A. Подколзин.,

М- Г-</

Тульский государственный университет

На правах рукописи

ПОДКОЛЗИН Анатолий Алексеевич

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОСИСТЕМ ОЧИСТНОГО ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СРЕДСТВ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ИХ РАБОТЫ.

Специальность: 05.05.06 - Горные машины

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, СТЕПАНОВ В.М.

Тула 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................... 5

1. НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГИДРОСИСТЕМ ОЧИСТНОГО ГОРНОШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ .................... 13

1.1. Факторы, влияющие на функциональное состояние, надежность и эффективность работы очистного оборудования .......................................... 13

1.2. Методы исследования, анализа и моделирования надежности и эффективности гидросистем................. 40

1.3. Методы оптимизации параметров гидросистем и надежности оборудования............................. 49

1.4. Выводы....................................... 58

Цель и задачи исследований....................... 59

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСЛОВИЙ РЕАЛИЗУЕМОСТИ НАДЕЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГИДРОСИСТЕМ ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ............................... 62

2.1. Методология реализуемости...................... 62

2.2. Нормирбвание показателей надежности и эффективности гидросистем................................... 68

2.3. Условия реализуемости надежности и эффективности гидросистем очистного оборудования. ............... 80

2.4. Технологическое и конструкционное обеспечение надежности работы................................... 94

2.5. Выводы...................................... 100

3. МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОСИСТЕМ И СРЕДСТВ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ..................................... 102

3.1. Методы оптимизации и адаптация их к условиям решения задач многокритериальной оптимизации параметров и

надежности гидросистем очистного оборудования...... 102

3.2. Методология структурной и параметрической оптимизации гидросистем................................ 109

3.3. Методика расчета и принятия решения многокритериальной оптимизации гидросистем..................... 121

3.4. Выводы....................................... 1 42

4. СТРУКТУРНАЯ И ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ГИДРОСИСТЕМ ОЧИСТНОГО ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ............................... 145

4.1. Обобщенная математическая модель гидросистем очистного оборудования и определение условий оптимизации

их параметров.................................. 145

4.2. Критерии оценки работы гидросистем, условия и ограничения оптимизации.............................. 198

4.3. Исследование обобщенной математической модели и определение оптимальных параметров и показателей гидросистем ....................................... 21,6

4.4. Выводы...................................... 235

5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ГИДРОСИСТЕМ ОЧИСТНОГО ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ МАКСИМАЛЬНО ВОЗМОЖНОЙ ИХ НАДЕЖНОСТИ................................. 238

5.1. Обобщенная схема гидросистем как объекта технической диагностики................................... 238

5.2. Математическая модель диагностирования технического состояния гидросистем очистного оборудования....... 259

5.3. Исследование математической модели и определение оптимальных параметров систем технического диагности-

рования гидросистем............................. 270

5.4. Прогнозирование ресурса гидросистем на стадиях проектирования и эксплуатации оборудования............. 279

5.5. Оптимизация режимов диагностирования, технического обслуживания и ремонта гидросистем............... 303

5.6. Выводы....................................... 313

6. СТЕНДОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОСИСТЕМ ОЧИСТНОГО ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СРЕДСТВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ.......... 3 25

6.1. Стенды, аппаратура и методика исследований......... 315

6.2. Стендовые исследования гидросистем............... 349

6.3. Стендовые исследования систем технической диагностики .......................................... 399

6.4. Выводы...................................... 409

7. ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОСИСТЕМ ГОРНОШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С РАЦИОНАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ................................ 410

7.1. Планирование эксперимента, аппаратура и методика исследований. ................................... 410

7.2. Шахтные исследования гидросистем очистного оборудования. . '...................................... 418

7.3.Шахтные исследования средств диагностирования технического состояния гидросистем................ 444

7.4. Расчет экономической эффективности............... 454

7.5. Выводы....................................... 457

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................. 459

ЛИТЕРАТУРА................................. 465

ПРИЛОЖЕНИЕ................................. 501

ВВЕДЕНИЕ.

Основными направлениями повышения эффективности подземной добычи угля в условиях реструктуризации угольной промышленности являются концентрация и интенсификация технологических процессов на основе повышения технического уровня, надежности и эффективности используемых, усовершенствованных и новых технологий и техники с обеспечением высокой степени безопасности ведения работ.

Достижение требуемой эффективности технологических процессов при концентрации очистных и подготовительных работ сдерживается снижением надежности очистных и подготовительных выработок, вызванное ухудшением состояния кровли и ее обрушением в призабойное и рабочее пространство, деформацией сечения выработок и элементов крепи за счет повышенных нагрузок от сил горного давления.

При эксплуатации очистного горно-шахтного оборудования это приводит к повышенному травматизму, исчерпанию податливости, ограничению длимы очистного фронта по фактору горного давления, завалам рабочего пространства и оборудования комплекса, потере работоспособности крепей, увеличению простоев забоев, расходов на восстановление выработок, замене и ремонту элементов крепей и крепей в целом, снижение эффективности защиты оборудования от поломок при динамическом нагружении.

В проблеме совершенствования организации технического обслуживания и ремонта оборудования особое место занимает комплекс вопросов, связанных с уменьшением вероятности неплановых простоев очистных забоев и сокращением времени восстановления оборудования. При этом минимизация временных и материальных затрат должна обеспечиваться путем разработки опти-

мальных алгоритмов действия, создания и внедрения систем распознавания технического состояния машин и механизмов. Значительное распространение получают системы функциональной и тестовой диагностики, как основы для построения высокоэффективных стратегий планово - предупредительных замен деталей машин "по состоянию". Техническое диагностирование позволяет более точно прогнозировать надежность оборудования и рассчитывать остаточный ресурс гидроэлемента.

В последние два-три десятилетия в условиях научно-технического прогресса и при ограниченности имеющихся в распоряжении материальных, энергетических и прочих ресурсов, а также резкого обострения стремлений к созданию наилучших вариантов техники и технологий проблема оптимального проектирования и создания высокоэффективного, надежного оборудования стала чрезвычайно актуальной.

Известно, что традиционные способы создания, изготовления и эксплуатации очистного горно-шахтного оборудования и его гидросистем часто не приносят нужного результата по надежности и эффективности работы, так как не учитывают всего разнообразия

нестабильных условий эксплуатации и динамики их изменения, в %

силу чего нагрузка на лаву не растает и возможности механизированных комплексов используются не полностью.

До последнего времени проблеме создания гидросистем горно-шахтного оборудования, трансформирующего свои характеристики в зависимости от условий эксплуатации, уделялось недостаточное внимание. И хотя были разработаны основы методик создания и оптимизации теоретико-вероятностного расчета для комплексного решения проблемы они не нашли широкого практического применения.

В связи с этим оптимизация параметров гидросистем очистного ГШО и средств диагностирования, обеспечивающих повышение надежности и эффективности работы оборудования, расширение условий и области его применения, сокращение материальных и трудовых затрат на создание, изготовление и эксплуатацию, является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Диссертационная работа обобщает результаты научных исследований АО "ПНИУИ" и ТулГУ, в том числе:

"разработать технологию отработки запасов угля в сложных горно-геологических условиях, средства комплексной механизации очистных работ для длиннокамерной системы и пластов мощностью 1-6 м (№ roc. per. 04113700000, 1993-1997 г.);

"провести исследования и разработки по повышению технического уровня механизированных крепей" (№ гос. per. 0493026000, 1987-1988 г.);

"гибкие производственные системы (ГНС) на базе САПР по основным процессам и видам очистного оборудования мехком-плексов для использования в индивидуальных условиях шахт" (№ гос. per. 0493089000, 1993 г.);

"провести исследования и выполнить разработки по совершенствованию средств и систем автоматизированного управления крепью и конвейером очистного механизированного комплекса" (№ гос. per. 0495224000, 1989 г.);

"разработать технологии и средства механизации монтажа и демонтажа очистных комплексов, позволяющие повысить безопасность работ и производительность труда" (№ гос. per. 0492039000, 1990 г.);

"создать и внедрить гидростойку с дополнительной податли-

востью к повышенным начальным распором, обеспечивающую повышение эффективности работы очистного механизированного комплекса в тяжелых горно-геологических условиях" (№№ гос. per. 0492061000, 0495002000, 1989-1992 г.).

Цель работы - установить закономерности функционирования гидросистем очистного горно-шахтного оборудования и средств технического диагностирования, направленных на достижение требуемого уровня обоснованности оптимальных параметров и создание гидросистем для повышения их надежности и эффективности добычи полезных ископаемых, снижения затрат на проектирование, изготовление и техническое обслуживание оборудования.

Идея работы - обеспечить повышение надежности и эффективности горно-шахтного оборудования, достигаемого структурной и параметрической оптимизацией гидросистем на основе достижения требуемого уровня обоснованности параметров и конструкций, прогнозирования ресурса и построения оптимальных стратегий технического обслуживания и ремонта.

Метод исследований - комплексный, включающий инженерный анализ, научное обобщение, физическое и математическое моделирование с использованием современного математического аппарата и ЭВМ, производственно-экспериментальные исследования с применением методов планирования многофакторных экспериментов и обработкой полученных данных методами математической статистики.

Основные научные положения, выносимые на защиту: - методические основы уменьшения степени неопределенности принятия решения задачи многокритериальной оптимизации гидросистем очистного горно-шахтного оборудования и средств

технического диагностирования за счет формирования методом ЛН-поиска Нарето-оптимального и упорядоченного эффективного множеств решений и преобразовании их в упорядоченное множество рангов критериев заменой значений критериев их рангами;

- закономерности функционирования гидросистем очистного горно-шахтного оборудования и средств технического диагностирования, обеспечивающие решение задач структурной и параметрической оптимизации, создание и совершенствование гидросистем оборудования реализацией требований надежности и эффективности, учитывающие многовариантное сочетание различных конструкций гидроэлементов при расчете обобщенного критерия и принятии решения задачи оптимизации методами минимизации обобщенного критерия;

- методические основы достижения максимально возможной надежности гидросистем очистного горно-шахтного оборудования путем организации технического обслуживания и ремонта оборудования, основанное на комплексном учете изменения ресурса, диагностировании и прогнозировании его технического состояния;

- оптимальные технологические, конструктивные и режимные параметры гидросистем ГШО, реализуемые в конструкциях гидроприводов очистного оборудования и средств технической диагностики по требуемому уровню надежности и эффективности работы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обоснована корректностью исходных предпосылок, постановки задач и методов их решения; представительным статистически обоснованным объемом и адекватностью теоретических и экспериментальных исследований (сходимость в пределах 81-92 %); положительным применением результатов работы в производстве.

Научная новизна работы заключается:

- в установлении закономерностей функционирования гидросистем очистного горно-шахтного оборудования и средств технического диагностирования, учитывающих многовариантное сочетание различных конструкций гидроэлементов и обеспечивающих решение задач структурной и параметрической оптимизации в зависимости от связей показателей надежности и эффективности с функциональным состоянием и технологической схемой работы, параметрами и нагрузками на элементы, диагностированием и прогнозированием технического состояния гидроэлементов;

- в разработке методологических основ прогнозирования ресурса гидрооборудования на стадиях проектирования и эксплуатации, основанных на учете изменения ресурса оборудования в функции выполнения работы и технической диагностики;

- в разработке оптимальных технических решений гидросистем и элементов гидропривода, защищенных патентами и авторскими свидетельствами на изобретения, позволяющих повысить надежность и эффективность работы машин и механизмов.

Практическое значение работы заключается:

- в создании и совершенствовании методов, разработке методик, процедур и инструментальных программных средств решения задач оптимизации, направленных на определение оптимальных параметров гидросистем, обеспечивающих повышение надежности и эффективности Г ИГО и средств технической диагностики путем обеспечения оптимального сочетания технологических, конструктивных и силовых параметров:

- в разработке математических моделей, алгоритмов и прикладных программ имитационного моделирования процессов, происходящих в гидросистемах очистного оборудования, позволяю-

щих повысить эффективность его создания и эксплуатации;

- в создании алгоритмов и методик диагностирования технического состояния гидропривода, прогнозирования ресурса элементов и построения оптимальных стратегий проведения ТОиР;

- в разработке и внедрении защищенных патентами и авторскими свидетельствами на изобретения технических решений эффективных конструкций гидросистем ГШО и средств технической диагностики, обеспечивающих повышение надежности и эффективности работы машин и механизмов.

Экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 125 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные разделы докладывались и обсуждались: на VII Всесоюзном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (г. Новосибирск, 1991 г.), на научно-технических конференциях ТулГУ (г. Тула, 1990-1998 гг.), на научно-технических советах ПО "Белорускалий" (г. Солигорск, 1989-1991, 1997 гг.), на научно-технических советах ОАО "Тулауголь" (г. Тула, 1990-1998 гг.), на научно-технических советах АО "Ленинск-уголь" (г. Ленинск-Кузнецкий, 1995-1997 гг.), на научно-техниче-

4 ___

ских советах АО "Ьеловоуголь" (г. Белово, 1995-1997 гг.), на научно-технических советах АО "Ростовуголь" (г. Шахты, 1997 г.), на научно-технических советах АО "Донуголь" (г. Шахты, 1997 г), на научно-технических советах АО "ПНИУИ" (1988-1998 гг.), на научно-техническом совете Сианьского горно-шахтного института (г. Сиань, КНР, 1992 г.), на отраслевом семинаре-совещании "Совершенствование внутришахтного транспорта, о мерах по снижению травхматизма и аварийиости, повышению эффективности работы участков" (г. Новокузнецк, 1995 г.), на семинаре-совещании

"Региональные проблемы, опыт энергосбережения и его правовое обеспечение" (г. Тула, 1995 г.), на 111 международной научно-практической конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности" (г. Новокузнецк, 1996 г.), на 1-ой региональной конференции "Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых центрального региона Российской Федерации" (г. Тула, 1998 г.), на международной научно-технической конференции "Энергосбережение - 98" (г. Тула, 1998 г.).

Автор выражает благодарность кандидату технических наук В.А. Сушкину за методическую помощь и содействие, оказанное при выполнении работы, а также преподавателям и сотрудникам кафедры ЭМО ТулГУ и АО "11НИУИ", принявшим участие в проведении стендовых и шахтных исследований.

I. НАУЧНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГИДРОСИСТЕМ ОЧИСТНОГО ГОРНОШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.1. Факторы, влияющие на функц