автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров системы управления движением роторного исполнительного органа щитового тоннелепроходческого комплекса

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ РОТОРНОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ЩИТОВОГО ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

05.05.06 - Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 НОЯ 2013

Тула 2013

005537874

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении Высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре электрооборудования и электротехники.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сурков Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, ФБГОУ

ВПО «Тульский государственный университет», доцент кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений, профессор Пушкарёв Александр Евгеньевич

кандидат технических наук, ООО «Экспертный центр технологической безопасности», технический директор, Поляков Андрей Вячеславович

Ведущая организация: ЗАО «Подмосковный научно-

исследовательский и проектно-конструкторский угольный институт»

Защита диссертации состоится « /0»2013 г. в 14 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при ФБГОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92,6-й уч. корпус, аудитория 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92, Ученый совет Тульского государственного университета, факс: 8-(4872)-33-13-05, e-mail: toolart@mail.ru.

Автореферат разослан « ~Jy> 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Копылов А.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Ускорение темпов роста объёмов строительства и освоения подземного пространства обуславливают необходимость повышения точности прокладки тоннелей и инженерных коммуникаций в условиях плотной городской застройки. В значительной степени этим требованиям удовлетворяют щитовые тоннелепроходческие комплексы (ТПК) с исполнительным органом роторного типа, позволяющие безопасно прокладывать тоннели на большие расстояния под горными массивами, морскими заливами и реками, зданиями и сооружениями, а высокотехнологичные высокоточные приборы позволяют осуществлять ведение щита к цели по заданной траектории. Однако отсутствие научно обоснованных методик по выбору параметров высокоточных систем управления движением исполнительных органов таких машин, обеспечивающих достижение высокой точности соблюдения траектории движения с учетом особенностей горно-геологических условий при проходке, не позволяет использовать весь их потенциал и ограничивает область применения, что определяет актуальность данной диссертации.

Целью работы является обоснование параметров системы управления движением роторного исполнительного органа щитового тоннелепро-ходческого комплекса, обеспечивающей высокую точность прохождения тоннеля по заданной трассе в породах с различными прочностными свойствами.

Идея работы заключается в том, что точность прохождения тоннеля по заданной трассе щитовым тоннелепроходческим комплексом достигается реализацией системы управления, построенной на основании теории аналитического конструирования оптимальных регуляторов.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является система управления движением роторного исполнительного органа щитового механизированного тоннелепро-ходческого комплекса.

Предметом исследования является функционирование системы управления движением исполнительного органа роторного типа щитового ТПК.

Научная новизна исследования:

-разработано математическое описание движения роторного исполнительного органа во взаимодействии с породным массивом, позволяющее рассматривать его перемещение раздельно в нескольких каналах управления;

- на основании теории аналитического конструирования оптимальных регуляторов обоснована методика синтеза и вычисления параметров закона управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК, обеспечивающего высокую точность проходки в породах с различными прочностными свойствами;

- установлены зависимости времени переходных процессов от массы и диаметра исполнительного органа, а также крепости горных пород, обеспечивающие обоснование параметров системы управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК.

Практическая значимость работы

Предложена методика конструирования закона управления движением роторного исполнительного органа щитовых ТПК, обеспечивающего проходку тоннеля с высокой точностью повторения заданной траектории при различных прочностных свойствах горных пород.

Положения, выносимые на защиту:

- движение роторного исполнительного органа щитового ТПК описывается предложенной математической моделью, учитывающей прочностные свойства горных пород, конструктивные параметры комплекса и позволяющей рассматривать его в нескольких каналах управления;

- методика синтеза и определения параметров закона управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК, учитывающего конструктивные параметры исполнительного органа и крепость горных пород и позволяющая рассматривать движение комплекса в нескольких каналах управления;

- применение разработанного закона управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК позволяет осуществлять ведение щитового ТПК с высокой точностью и не накладывает дополнительных требований и ограничений на траекторию проходки;

- зависимости времени переходных процессов от конструктивных параметров исполнительного органа и крепости горных пород, характеризующие работу системы управления.

Степень достоверности исследований

Достоверность исследований подтверждается тем, что при составлении математической модели и обосновании методики синтеза закона управления были использованы признанные научным сообществом законы физики, механики и теории автоматического управления, проверенные многолетней практикой применения при решении широкого круга задач.

Имитационные эксперименты проводились в среде моделирования, признанной во всем мире как одно из лучших средств для выполнения разного рода вычислений, компьютерного моделирования, визуализации и представления результатов. Точность вычислений при моделировании — 4 знака после запятой.

Апробация и внедрение результатов работы

Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (Тула, 2009 г.), на ежегодных V и VII Региональных научно-практических конференциях Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (Тула, 2011 г. и 2013 г.), на VI Всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими объектами» (Тула, 2013 г.).

Результаты проведенных исследований легли в основу патента на изобретение «Способ управления щитом тоннелепроходческого комплекса и следящая система для его реализации» (заявка №2012131918 от 26.07.2012), по которому 01.10.2013 Федеральной службой по интеллектуальной соб-

ственности (Роспатент) было принято положительное решение о выдаче патента.

Предложенная и обоснованная в работе методика используется на ООО «СпецПодземСтрой» (г.Тула) при совершенствовании и разработке систем управления используемых проходческих комплексов.

Результаты исследований использовались в научно-исследовательской работе по государственному контракту 02.740.11.0477: «Создание энергосберегающей оптимальной системы управления электроприводом для промышленных объектов и объектов спецгехники».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 статей, 2 из них - в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и список использованной литературы из 105 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕЖАНИЕ РАБОТЫ

Анализ современного уровня тоннелепроходческой техники показал, что механизированная щитовая проходка является наиболее универсальной и предпочтительной, поскольку она позволяет обеспечить точность прокладки тоннелей и снизить влияние человеческого фактора на качество проходки. Указанная оценка проходческой техники подтверждается в работах Клорикь-яна В.Х., Самойлова В.П., Бреннера В.А., Жабина А.Б., Антипова В.В., Ан-типова Ю.В., Наумова И.Н., исследованиях и разработках ЦНИИПодземма-ша, Метростроя, Ясиноватского машиностроительного и Скуратовского экспериментального заводов. Однако отсутствие научно обоснованных подходов к созданию высокоточных систем управления движением исполнительного органа такого рода комплексов, позволяющих обеспечить требуемую точность прокладываемого тоннеля в породах с различными прочностными свойствами, не позволяет в полной мере реализовать достоинства таких машин.

Современный уровень состояния знаний по рассмотренной проблеме, цель и идея работы обусловили необходимость постановки и рассмотрения

следующих задач:

1. Составить математическое описание движения исполнительного органа щитового ТПК во взаимодействии с породным массивом.

2. Обосновать предлагаемую методику синтеза закона управления движением роторного исполнительного органа, обеспечивающего высокую точность прохождения заданной трассы щитовым ТПК.

3. Обосновать и получить зависимости для расчёта параметров системы управления движением исполнительного органа щитового ТПК, учитывающих конструктивные особенности комплекса и прочностные свойства породного массива.

4. Установить закономерности функционирования системы управления роторным исполнительным органом щитового ТПК при различных прочностных свойствах горных пород, параметрах комплекса и заданиях.

Продвижение выбранного к исследованию комплекса происходит следующим образом: исполнительный орган вращается и резцами разрушает породу, которая через отверстия попадает внутрь комплекса и затем через систему конвейеров и вагонеток удаляется из забоя. Продвижение в глубь забоя происходит за счет давления гидродомкратов на ротор щита ТПК, а направление продвижения определяется комбинацией их включения.

Ось проходки является кривой в трехмерном пространстве. Представим ее в виде нескольких двумерных траекторий, каждая из которых будет лежать в плоскости своего канала управления, проходящей через геометрический центр исполнительного органа щита и центральные оси противоположных относительно этого центра гидродомкратов. Число полученных двумерных траекторий равно числу пар гидродомкратов, продвигающих щит.

Такие траектории разрабатываются маркшейдерами в соответствии с тем, в какой точке должен оказаться проходческий комплекс в конце своего пути, в соответствии с горно-геологическими характеристиками местности, по которой будет проложен тоннель, а также техническими характеристиками самого ТПК.

Длина выдвижения штока гидродомкрата ограничена, поэтому прокладка тоннеля состоит из множества однообразных этапов: ротор продвигается в массив до тех пор, пока один из штоков не будет выдвинут на допустимую длину, затем вращение исполнительного органа щита останавливается, после чего исполнительные домкраты придвигают остальную часть комплекса к ротору, в пройденной части тоннеля устанавливается бетонная обделка, далее проходка возобновляется.

Из представленного выше принципа работы ТПК было выявлено, что математическая модель движения исполнительного органа должна описывать динамику на участке проходки, обусловленном ограниченной длиной выдвижения штока — проходческим циклом.

При рассмотрении продвижения ротора щитового ТПК при действии на него одной из пар управляющих гидродомкратов (рис. 1) на основании второго закона Ньютона для поступательного и вращательного движений было получено следующее математическое описание движения:

х\=х2,

¿з = Л'4,

х4=К2-(±Гт),

где х\ = у — линейное перемещение центра масс ротора относительно начала координат; х2 = у — скорость линейного перемещения центра масс ротора относительно начала координат; = а — угол поворота ротора относительно оси у начала координат; х^ = а — скорость изменения угла пово-

рота ротора относительно оси у начала координат;

1

-,к2=-

1

2-т' " т-В

коэффициенты, обуславливаемые параметрами ротора: наружным диаметром

м

£> и приведенной массой т = —, где м - масса ротора, а и — число пар

гидродомкратов; Рт - сила, с которой один домкрат воздействует на ротор.

За положительное направление вращения ротора относительно оси у начала координат принято направление против часовой стрелки при ввде в плане. Тогда при действии силы (рис.1) в последнем уравнении системы (1) имеем + Рт, а при /*2 имеем - Рт.

У, М,

\лл

траектория □Вижения

X, м

Вл

У

о

Л?

Рисунок I. Проекция исполнительного органа щита в плоскости действующей на него пары управляющих гидродомкратов

Для удобства дальнейшего использования и применения теории автоматического управления в последнем уравнении системы (I) была осуществлена замена ± = Рт = ^ ■ х'^ц/^)], где - некоторая функция переключения с + на - ¥т и обратно. В итоговом варианте было получено следующее математическое описание движения ротора щита при действии на него одной пары гидродомкратов без нагрузки:

х\ =х2,

х3 =х4,

х4=К2 • Рт - и.

При составлении математической модели были приняты следующие допущения:

1) исполнительный орган абсолютно жесткий и однородный;

(2)

2) математическое описание составляется без учета влияния вращения исполнительного органа щита ТПК;

3) силы управляющих воздействий всегда направлены перпендикулярно плоскости ротора и приложены по его периметру;

4) зт(аг) = а;

5) сила нагрузки представляет собой равнодействующую всех сил, воздействующих со стороны породного массива на исполнительный орган, равномерно распределена по всей площади исполнительного органа и всегда направлена перпендикулярно к его поверхности.

Направление равнодействующей силы сопротивления породного массива противоположно направлению действия силы управляющего воздействия гидродомкрата продвижения исполнительного органа, а точки их приложения совпадают. Таким образом, результирующая сила, с которой ротор щитового ТПК будет продвигаться в глубь массива, равна разности силы управляющего воздействия и силы сопротивления внедрению в породный массив Рн:

Введение силы Ен позволило учесть прочностные свойства горных пород в математическом описании процесса движения. Для определения величины Рн в работе использовано понятие коэффициента крепости породы /, введенное М.М. Протодьяконовым:

Рн = 77021,2 ■ / • О2 • и-1. (4)

В окончательном варианте математическое описание движения роторного исполнительного органа щитового тоннелепроходческого комплекса во взаимодействии с породным массивом имеет вид

х2 -Ртн ' х3' ф

х3 = ,

х4=К2 ■ Ртн ■ и,

где и = s¡gn\l|/(t)}.

Система навигации щитового ТПК не позволяет получить все четыре координаты, описывающие движение исполнительного органа щитового ТПК. Применяемая система лазерной навигации определяет только угловое отклонение исполнительного органа в плоскости канала управления х3.

При анализе трудов Р. Калмана, Д. Люенбергера, У. Уонема, а также ряда российских ученых было выявлено, что наиболее подходящим для данной ситуации является наблюдатель, описываемый следующей системой дифференциальных уравнений:

= н " х2н > х2н =КЪн ' хЪн1

хзн=К2н-хАн, (6)

К1н 1

х4н ~ ' ~ ' ^4н • ' и 1 Н

В теории автоматического регулирования система управления, обеспечивающая максимально возможную точность управления объектом, называется оптимальной в смысле минимума ошибки (оптимальной по точности). При создании оптимальных систем требуется добиться не просто заданных показателей качества, а наилучших показателей по определенному виду качества, наиболее важному для конкретной системы.

Известно, что минимизация интегральных функционалов

= (7)

О

не содержащих явно управляющего воздействия, должна осуществляться идеальными релейными управлениями и обеспечивать требуемое качество управления, устойчивость, а также инвариантность к внешним возмущениям. Следовательно, система управления, обеспечивающая минимум функционала (7), который не зависит явно от управляющего воздействия, является системой, оптимальной по точности.

Таким образом, для объекта управления, описываемого уравнениями

вида

X = А-Х + В-и, (8)

закон оптимального по точности управления, удовлетворяющий критерию точности (8), записывается в следующей форме:

и = ит-8І8п[у{х)], (9)

где у/(Х) - функция переключения оптимального регулятора. Функция переключения записана в следующем виде:

(=1

где I)- - весовые коэффициенты (параметры системы управления); к - порядок объекта управления.

Вид функции управляющего воздействия (9) совпадает с введенной функцией к в системе уравнений (5), что позволило сделать вывод о применимости данной теории к исследуемому объекту управления.

Таким образом, задача отыскания закона оптимального управления сводится к задаче отыскания функции переключения

'А*)-

Для отыскания функции переключения было использовано понятие скорости проникновения поверхности переключения. Найдем скорость проникновения, то есть проекцию вектора относительной скорости изображающей точки на нормаль к пересечению поверхностей переключения У = 0 с

учетом уравнений объекта

4> = G-X = GA + GBU. (11)

Здесь строки матрицы G = (д¥/дх) размерности тхл являются градиентами функций (//,(х).

Функциональное уравнение (11) дает возможность провести декомпозицию задачи, то есть составить функциональные уравнения для функций переключения управляющих воздействий эквивалентных объектов управления сжатых пространств и, таким образом, решить весьма трудную задачу оптимального управления многомерным объектом высокого порядка и, следовательно, преодолеть «проклятие размерности» Р. Беллмана.

Однако применение (11) в приведенном виде значительно усложняет задачу, т.к. заведомо неизвестен вид функции переключения и, соответственно, нельзя найти ее производную. Для упрощения задачи принимают G = (д¥/дх) равными константам, что позволяет произвести интегрирование (11) и получить выражение для функции переключения в виде (10).

Поэтапная декомпозиция фазового пространства состояния позволяет на основании условий управляемости отыскать неравенства, определяющие весовые коэффициенты функции переключения.

Помимо соблюдения условия управляемости объекта, также необходимо учитывать и устойчивость системы управления. Для определения устойчивости был использован критерий Гурвица, широко применяемый на практике. Применительно к линеаризованной исследуемой системе управления критерий устойчивости записывается в следующем виде:

^>1. (12)

На основании проведенного анализа был выведен следующий алгоритм отыскания функции переключения.

1. В соответствии с порядком объекта управления записываем выражения для скорости проникновения поверхности переключения в виде

рг*,. (13)

/=1

2. Подставляем значения производных координат объекта управления из дифференциальных уравнений, описывающих объект управления, в (13).

3. Из полученного выражения выделяем f(x) и <р(х) и записываем выражение для условия управляемости

|/|<р. (14)

4. Записываем выражение поверхности переключения для второго этапа сжатия фазового пространства, равное f{x) первого этапа сжатия фазового пространства.

i/f2(x)=f(X), (15)

и находим выражение для скорости проникновения поверхности переключения второго этапа сжатия фазового пространства ц/2(х).

5. Подставляем значения производных координат объекта управления

10

из дифференциальных уравнений, описывающих объект управления, в выражение для скорости проникновения поверхности переключения второго этапа сжатия фазового пространства <//2 ■

6. Из полученного выражения выделяем /2{х) и ^(Х) и записываем

выражение для условия управляемости.

7. Повторяем аналогичные действия до тех пор, пока не запишем условие управляемости для к-1 этапа сжатия фазового пространства (к - порядок объекта управления).

8. Далее из системы неравенств порядка к (неравенства, определяющие условие управляемости, и неравенство, определяющее устойчивость), подставляя в неё известные величины (параметры объекта управления), находим все 1).

9. Интегрируя выражение для скорости переключения, находим выражение для функции переключения и подставляем в нее найденные Р,.

Таким образом, получаем функцию переключения регулятора закона оптимального по точности управления.

Для построения системы управления исследуемого ТПК была применена предложенная методика. Функция управляющего воздействия имеет следующий вид: г , ч1

и = Рт-з1цп1у,{х)\. (16)

Скорость проникновения поверхности переключения получена в виде ф{Х) = Р[ -XI + Р2-х2+Р3-х3 + Р4 4, (17)

где ^=1, -Ъ-' 3 — 7Г

^2+Р2-Кх-РтН-х3+Рг-х4\ Р2-Р3 ^

4_ К2 ■ Ртц ' Ру-РА

Для исследования работы системы управления при проходке в массивах различной твердости было осуществлено моделирование переходных процессов при отработке различных заданий при следующих параметрах рабочей среды моделирования: шаг итерации постоянный и равен 0,0001, метод вычисления о<1е4 (Яш^е-КиМа).

На основании результатов выполненных исследований разработана методика синтеза закона управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК, обеспечивающего достижение высокой точности прохождения трассы при различных прочностных свойствах породного массива. С помощью разработанной методики выполнен расчет параметров системы управления движением роторного исполнительного органа щитового тонне-лепроходческого комплекса фирмы «НегепкпеЬЬк Так, рассчитаны значения и скорости изменения координат центра масс исполнительного органа ТПК; параметры системы управления; время переходных процессов при различных прочностных свойствах пород и определена точность отработки задания.

Для исследования работы системы был проведен ряд опытов, который подтвердил работоспособность разработанной системы управления. Так, для

отработки задания Лх] = 0,001 м при крепости пород / = 1 были получены графики переходных процессов, показанные на рис. 2 — 6.

X, ,м

х1СГ3

0,8 0,6 / /

0,4 /

0,2 - 4............ ..... - І.С

и 50 100 150 200 250 300

Рисунок 2. Зависимость координаты Х[ от времени г

Рисунок 3. Зависимость координаты х3 от времени С

Х,м

Рисунок 4. Зависимость величины продвижения исполнительного органа в глубь выработки от времени г

и

1 0,4 0 0,4 -1 | '¡1 ШІШіШІИ ІШШШИ |Я| ммйШВ ■ <№ і; 1 Н иди ІИІІІІШ БнНшШН ШМШШ! и:;.! 11 1 І |1

ряИ 1 ? ЧУ". ■ И ■

ЯП 1ГІП 700 750- .ЛПП

Рисунок 5. Зависимость управляющих воздействий от времени С

и _

1 0,4 - { 1 1 і { 1 № Ш 1| щ|| щ --4-4—1 ■ ^ !: і; ї с

и ІЩІНІІ!) ІІІІШШ! ІІ'ІІІШ ЩЦіНН;

0,4 - шішіірріііііііір . м щ ; 1 і|1

- ІІІІІ І ІІ1 ІІ ішііш

- I 5 10 15 70 25 30 Л5 40 45 Ьи

Рисунок 6. Зависимость управляющих воздействий от времени I

(увеличение)

Анализ результатов экспериментов показывает, что разработанная система управления позволяет осуществлять направленное продвижение роторного исполнительного органа щитового ТПК в породах с различными прочностными свойствами с высокой точностью (в установившемся режиме отклонение от задания менее 1 %).

На основании проведенных экспериментов были выявлены зависимости времени переходных процессов от крепости породы, диаметра и массы исполнительного органа (рис.7 - 9).______________________________________

УХУ

Рисунок 7. Зависимость времени переходного процесса от диаметра исполнительного органа 13

50

Рисунок 8. Зависимость времени переходного процесса от крепости породы

50 і

50000 75000 100000 134000 170000 200000

Рисунок 9. Зависимость времени переходного процесса от массы исполнительного органа

В результате обработки экспериментальных данных получена расчетная формула для определения времени переходного процесса в зависимости от крепости пород, диаметра и массы исполнительного органа

г = 3,8-10-5./0,067.^1>77.от0,95_ (18)

Также было установлено, что для исследуемого объекта система управления позволяет выполнять с требуемой точностью радиусы поворота не менее 11 м. Так как для исследуемого комплекса радиусы поворота оси

проходки составляют сотни метров, то можно заключить, что работа системы управления не накладывает дополнительных ограничений на траекторию движения ТПК и может быть использована для управления щитовым механизированным ТПК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований обоснованы параметры системы управления движением роторного исполнительного органа щитового тоннелепроходческого комплекса, обеспечивающей высокую точность прохождения тоннеля по заданной трассе в породах с различными прочностными свойствами, что имеет существенное значение для горной отрасли.

Основные научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Разработана математическая модель, описывающая процесс движения роторного исполнительного органа щитового ТПК, учитывающая его конструктивные параметры и влияние горного массива и позволяющая рассматривать движение комплекса в нескольких каналах управления.

2. Предложена методика синтеза закона управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК, основанная на теории аналитического конструирования оптимальных регуляторов.

3. Получены выражения для определения коэффициентов функции переключения, учитывающие конструктивные особенности щитового ТПК, свойства проходимого породного массива, устойчивость системы управления и качество переходных процессов при отработке задания.

4. На основании предложенной методики синтеза закона управления разработана система управления движением роторного исполнительного органа исследуемого щитового ТПК.

5. Показано, что применение предложенной системы управления позволяет обеспечить высокую точность отработки задания. В установившемся режиме ошибка составляет менее 1 % от заданной величины.

6. Показано, что применение предложенной системы управления не накладывает дополнительных ограничений и требований на траекторию проходки.

7. Установлены зависимости времени переходных процессов от крепости проходимых пород, диаметра и массы исполнительного органа. Получена расчетная формула для определения времени переходных процессов от этих параметров.

Результаты проведенных исследований легли в основу патента на 2 изобретения «Способ управления щитом тоннелепроходческого комплекса и следящая система для его реализации» (заявка №2012131918 от 26.07.2012), по которому 01.10.2013 Федеральной службой по интеллектуальной собственности (Роспатент) было принято положительное решение о выдаче патента.

Предложенная и обоснованная в работе методика используется на ООО «СпецПодземСтрой» (г.Тула) при совершенствовании и разработке систем управления используемых проходческих комплексов.

Результаты исследований использовались в научно-исследовательской работе по государственному контракту 02.740.11.0477: «Создание энергосберегающей оптимальной системы управления электроприводом для промышленных объектов и объектов спецтехники».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Будников В.Б. Перспективы оптимального по точности управления механизированными тоннелепроходческими комплексами// Материалы V научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации». Ч. 1. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 28.

2. Будников В.Б. Математическая модель механизированного тон-нелепроходческого комплекса// Материалы X всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов». -Тула: Изд-во ТулГУ, 20II.-С. 309-313.

3. Будников В.Б. Методика аналитического конструирования оптимальных по точности регуляторов электромеханических систем// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - Вып. П.-4.1.-С. 191-194.

4. Будников В.Б. Система управления щитом тоннелепроходческого комплекса// Материалы шестой всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими объектами». - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 216-220.

5. Будников В.Б. Математическое описание динамики щита тоннелепроходческого комплекса// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - Вып. 11. 4.1. - С. 194-198.

6. Будников В.Б. Синтез оптимального управления методами классического вариационного исчисления// Материалы VII региональной молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации». 4.1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. -

7. Будников В.Б. Развитие щитовой проходческой техники// Материалы VII региональной молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации». 4.1. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 37-38.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 5.11.2013 Формат бумаги 60x84 '/к;. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 066 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, проспЛенина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

С. 35-37.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тульский государственный университет

На правах рукописи

04201365412

Будников Вадим Борисович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ РОТОРНОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ЩИТОВОГО ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

05.05.06 - Горные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сурков Виктор Васильевич

Тула 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................3

1. АНАЛИЗ АКТУАЛЬНОСТИ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................................................7

1.1. Краткий обзор развития щитовых проходческих комплексов............................7

1.2. Анализ современного состояния щитовой проходческой техники...................11

1.3. Анализ средств управления направлением движения щитового ТПК.............35

1.4. Выводы. Постановка цели и задач работы...........................................................45

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.......................47

2.1. Анализ процесса движения роторного исполнительного органа......................47

2.2. Математическое описание процесса движения исполнительного органа........52

2.3. Учет прочностных характеристик горного массива...........................................55

2.4. Получение координат состояния объекта управления.......................................57

2.5. Выводы....................................................................................................................59

3. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ СИНТЕЗА И ВЫЧИСЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАКОНА УПРАВЛЕНИЯ.............................................................................................60

3.1. Теория аналитического конструирования оптимальных регуляторов.............60

3.2. Методика синтеза и вычисления параметров закона управления.....................72

3.3. Устойчивость системы управления......................................................................84

3.4. Выводы....................................................................................................................94

4. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ОРГАНОМ ЩИТОВОГО ТПК............................................95

4.1. Синтез системы управления..................................................................................95

4.2. Исследование синтезированной системы управления........................................99

4.3. Выводы..................................................................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................117

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................................119

Приложение 1. Акт внедрения...................................................................................128

Приложение 2. Патент на изобретение.....................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Ускорение темпов роста объёмов строительства и освоения подземного пространства обуславливают необходимость повышения точности прокладки тоннелей и инженерных коммуникаций в условиях плотной городской застройки. В значительной степени этим требованиям удовлетворяют щитовые тоннелепроходческие комплексы (ТПК) с исполнительным органом роторного типа, позволяющие безопасно прокладывать тоннели на большие расстояния под горными массивами, морскими заливами и реками, зданиями и сооружениями, а высокотехнологичные высокоточные приборы позволяют осуществлять ведение щита к цели по заданной траектории. Однако отсутствие научно обоснованных методик по выбору параметров высокоточных систем управления движением исполнительных органов таких машин, обеспечивающих достижение высокой точности соблюдения траектории движения с учетом особенностей горногеологических условий при проходке, не позволяет использовать весь их потенциал и ограничивает область применения, что определяет актуальность данной диссертации.

Целью работы является обоснование параметров системы управления движением роторного исполнительного органа щитового тоннелепроходческого комплекса, обеспечивающей высокую точность прохождения тоннеля по заданной трассе в породах с различными прочностными свойствами.

Идея работы заключается в том, что точность прохождения тоннеля по заданной трассе щитовым тоннелепроходческим комплексом достигается реализацией системы управления, построенной на основании теории аналитического конструирования оптимальных регуляторов.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является система управления движением роторного исполнительного органа щитового механизированного тоннелепроходческого комплекса.

Предметом исследования является функционирование системы управления движением исполнительного органа роторного типа щитового ТПК.

Научная новизна исследования:

- разработано математическое описание движения роторного исполнительного органа во взаимодействии с породным массивом, позволяющее рассматривать его перемещение раздельно в нескольких каналах управления;

- на основании теории аналитического конструирования оптимальных регуляторов обоснована методика синтеза и вычисления параметров закона управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК, обеспечивающего высокую точность проходки в породах с различными прочностными свойствами;

- установлены зависимости времени переходных процессов от массы и диаметра исполнительного органа, а также крепости горных пород, обеспечивающие обоснование параметров системы управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК.

Практическая значимость работы

Предложена методика конструирования закона управления движением роторного исполнительного органа щитовых ТПК, обеспечивающего проходку тоннеля с высокой точностью повторения заданной траектории при различных прочностных свойствах горных пород.

Положения, выносимые на защиту:

- движение роторного исполнительного органа щитового ТПК описывается предложенной математической моделью, учитывающей прочностные свойства горных пород, конструктивные параметры комплекса и позволяющей рассматривать его в нескольких каналах управления;

- методика синтеза и определения параметров закона управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК, учитывающего конструктивные параметры исполнительного органа и крепость горных пород и позволяющая рассматривать движение комплекса в нескольких каналах управления;

- применение разработанного закона управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК позволяет осуществлять ведение щитового ТПК с высокой точностью и не накладывает дополнительных требований и ограничений на траекторию проходки;

- зависимости времени переходных процессов от конструктивных параметров исполнительного органа и крепости горных пород, характеризующие работу системы управления.

Степень достоверности исследований

Достоверность исследований подтверждается тем, что при составлении математической модели и обосновании методики синтеза закона управления были использованы признанные научным сообществом законы физики, механики и теории автоматического управления, проверенные многолетней практикой применения при решении широкого круга задач.

Имитационные эксперименты проводились в среде моделирования, признанной во всем мире как одно из лучших средств для выполнения разного рода вычислений, компьютерного моделирования, визуализации и представления результатов. Точность вычислений при моделировании - 4 знака после запятой.

Апробация и внедрение результатов работы

Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (Тула, 2009 г.), на ежегодных V и VII Региональных научно-практических конференциях Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (Тула, 2011 г. и 2013 г.), на VI Всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими объектами» (Тула, 2013 г.).

Результаты проведенных исследований легли в основу патента на изобретение «Способ управления щитом тоннелепроходческого комплекса и следящая система для его реализации» (заявка №2012131918 от 26.07.2012), по которому 01.10.2013 Федеральной службой по интеллектуальной собственности (Роспатент) было принято положительное решение о выдаче патента.

Предложенная и обоснованная в работе методика используется на ООО «СпецПодземСтрой» (г.Тула) при совершенствовании и разработке систем управления используемых проходческих комплексов.

Результаты исследований использовались в научно-исследовательской работе по государственному контракту 02.740.11.0477: «Создание энергосберегающей оптимальной системы управления электроприводом для промышленных объектов и объектов спецтехники».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 статей, 2 из них - в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и список использованной литературы из 105 наименований.

1. АНАЛИЗ АКТУАЛЬНОСТИ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Краткий обзор развития щитовых проходческих комплексов

Изобретение щита, ознаменовавшее подлинную техническую революцию в области сооружения тоннелей, принадлежит английскому инженеру Марку Изанбару Брюнелю. В 1814 г. Брюнелем была высказана идея создания «механизированного червя» с вращающимся диском, имеющим винтовую поверхность и радиальный нож для резания породы. Цилиндрический щит, предугадывавший основные черты современных щитов, включая и способ их передвижки при помощи гидравлических домкратов, отталкивающихся от сооружаемой постоянной крепи, был запатентован Брюнелем в 1818 г. в Англии. Изобретение щита возникло при решении задачи сооружения подводных тоннелей, и первый щит разрабатывался Брюнелем по заказу России для устройства постоянно действующей переправы через Неву в Санкт-Петербурге. Однако проект щита был переработан применительно к условиям строительства тоннеля под Темзой в Лондоне. Щит, имевший прямоугольное сечение 11,3x6,7 м, начал работать в 1825 г. на строительстве тоннеля с крепью из кирпичной кладки, и при его внедрении был встречен целый ряд трудностей. Практически щиты получили признание после придания им цилиндрической формы и использования на строительстве тоннелей с крепью из чугунных тюбингов. Эти работы были осуществлены в 1869 г. Берлоу и Грейтхедом в Англии и Бичем в США. [21]

Первые образцы проходческих щитов (рисунок 1.1) освещались масляными лампами, по щиту передвигались конные экипажи. Для вентиляции предусматривались отдушины, ведущие к поверхности земли. Разработка породы в забое и ее погрузка, возведение крепи осуществлялись вручную. Перемещение щита осуществлялось при помощи винтовых домкратов.

Рисунок 1.1. Общий вид одного из первых проходческих щитов

Дальнейшее развитие щитовой техники шло по линии оснащения: исполнительными органами для механизированной разработки различных пород с учетом их физико-механических свойств, устройствами для механизированного возведения крепи и погрузки породы в транспортные средства, навигационными приборами, а также путем увеличения энерговооруженности механизмов, повышения давления в гидросистемах щитовых домкратов и совершенствования конструкции корпуса щита. Все это привело к созданию современных механизированных проходческих щитов и комплексов. [26]

На механизированных щитах часто устанавливаются исполнительные органы, аналогичные исполнительным органам проходческих комбайнов, поэтому их развитие с самого начала шло параллельно.

Опыт работы щитовой тоннелепроходческой машины (Англия, 1897 г.) с исполнительным органом в виде вращающейся металлической конструкции с резцами и центральным коническим забурником; проходческих комбайнов с исполнительным органом планетарного действия (Англия, 1864 г.) и фирмы «Батя» (ЧССР, 1942 г.); комбайна Чихачева (Россия, 1935 г.) с роторным исполнительным органом, разрушающим забой путем прорезания глубоких щелей и обламывания остающихся между ними целиков; проходческих комбайнов с исполнительным органом с резцовой коронкой на стреле ДГИ-У и ПК-3 (Россия, 1955 г.); тоннелепроходческих роторных машин с шарошечным породоразрушающим инструментом, созданных в шестидесятые годы фирмами

«Роббинс», «Мэрфи» (США), «Демаг» (ФРГ) и многих других был использован при создании целого ряда механизированных щитов.

В 1897 г. в Англии был применен первый механизированный щит Прейса, роторный рабочий орган которого, выполненный в виде шестилучевой крестовины с ножами для разработки забоя и ковшами для подборки породы, подавался на забой вместе с корпусом щита.

В России щиты впервые были применены в 1934 г. на первой очереди строительства Московского метрополитена, а на второй очереди в 1936 г. работало уже одновременно 30 перегонных и 12 станционных щитов. В пятидесятые годы были созданы более совершенные механизированные щиты с планетарным исполнительным органом типа Ленинградский, а также с роторным исполнительным органом типа Киевский.

В России на строительстве городских коллекторных тоннелей и в промышленном строительстве щиты начали применять в 1938 г., а в угольной промышленности - в 1953 г.

В 1936 г. в щите Варганова (Россия) впервые была осуществлена независимая подача исполнительного органа на забой гидравлическими домкратами без подачи корпуса щита.

В шестидесятые годы в развитии конструкции механизированных щитов был достигнут большой технический прогресс: для исполнительного органа начал применяться гидропривод, а затем электропривод на постоянном токе, что позволило регулировать частоту вращения исполнительных органов, а создание многомоторного привода одновременно повысило их энерговооруженность. В начале семидесятых годов исполнительные органы щитов стали оснащаться шарошечным инструментом для разрушения крепких пород. Тогда же были созданы щиты с горизонтальными площадками, позволившие отказаться от применения временной шандорной крепи забоя при проходке тоннелей в песках, и проходческие комплексы для сооружения тоннелей с монолитно-прессованной бетонной крепью и сборной крепью, обжатой в породу. Успешное внедрение щитов с горизонтальными площадками для строительства тоннелей сравнительно

большого сечения началось в 1963 г. после проведения в России и за рубежом больших научно-исследовательских и конструкторских работ.

Щитовой способ сооружения тоннелей с монолитнопрессованной бетонной крепью также был известен давно. Еще в начале XX в. немецкой фирмой «Галлингера» было построено несколько таких тоннелей малых размеров. Однако новый способ, требовавший механизированную подачу бетонной смеси и совершенное щитовое оборудование, опережал имеющиеся технические возможности и не нашел тогда широкого применения.

Дальнейшее развитие этот способ получил в конце пятидесятых годов. На строительстве Сионского гидроузла в Грузии был применен агрегат Гиндина-Словинского («ГИС») с телескопической оболочкой, которым было построено 86 м тоннеля внутренним диаметром 2,9 м в плотных глинах. В дальнейшем этот агрегат не нашел применения, но полученный опыт имел положительное значение для развития этого способа.

Промышленное освоение технологии сооружения тоннелей с монолитно-прессованной бетонной крепью было осуществлено в 1965 г. на строительстве тоннеля-коллектора под р. Неглинкой в Москве и тоннелей метрополитена в Тбилиси и Москве щитовым оборудованием, разработанным институтом Метрогипротранс.

Щитовое оборудование для строительства тоннелей со сборной крепью, обжатой в породу, впервые было широко применено на строительстве линии «Виктория» лондонского метрополитена, а затем на строительстве коллекторных тоннелей в Киеве и метрополитена в Санкт-Петербурге.

В ходе развития щитовой техники всегда большое внимание уделялось созданию и совершенствованию щитов для строительства тоннелей в сложных условиях под гидростатическим давлением.

Первая проходка тоннеля щитом с уравновешиванием гидростатического давления сжатым воздухом была осуществлена Грейтхедом (Лондон, 1886 г.). В 1933 г. при строительстве подводного тоннеля под р. Дунаем около Будапешта был успешно применен щит Галлингера с «закрытой грудью», исполнительный

орган которого представлял собой шаровой сектор с ножами, совершавший колебательные движения. В условиях водоносных грунтов щит применялся в сочетании со сжатым воздухом.

В дальнейшем развитие щитовой техники для подобных условий пошло по линии создания герметических щитов с гидравлической пригрузочной камерой для уравновешивания гидростатического давления в забое (Россия, Япония, Англия) и щитов с призабойной кессонной камерой (Франция, США, ФРГ, Р�