автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Самонастраивающаяся адаптивная система автоматического управления проходческим комбайном, обеспечивающая минимальную стоимость проходки восстающих выработок

МИНИСТЕРСТВО ОБ1 ШВЛНИЯ УКРАИНЫ КР11ЕЮР0ЖСЮ1Й ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Борзенко Михаил Юрьевич

РГБ ОД

2 7 ЯН В 19?"*

СЛМОНАСТРА1 ШЛЮЩАЯСЯ АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОХОДЧЕСКИМ КОМБАЙНОМ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ МИНИМАЛЬНУЮ СГОИМОСГЬ ПГОХОДКИ ВОССТАЮЩИХ ВЫРАБОТОК

Специальность: 05.13.07 - "Автоматизация технологических процессов и производств"

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соиск^- не ученой степени кандидата техни °скм.\ паук

г.Крииой Рог 1996г.

Работа выполнена в институте НИШрудмаш в отделе привода горных машин

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук, "поТессор Хорольскпй В.П.

ОМЩИАЛШЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор Назаренко В.'.!.

кандидат технических наук Лобов В.И.

ЗЩЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ:

Криворожский завод горного машиностроения, г .Кривой Рог

Защита диссертации состоится " 1Г97 г.

в " " час. на заседании специализированного совета К 16.01.01 Криворожского технического университета по адресу: 324027, Украина, ул.22 партсъезда, II

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке К Т У

Автореферат разослан " " 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических рщк^ доцент

СЕДАЯ УЛРАКТЕ?!-!СПЕА РАБОТА

Актуальность работа. 3 современной технологии разработка месторотденпй полезных ископаемых значительное место занимают буровые работа, которые, наряду с бурением взрывных скважин, все игре используются для проходки капитальных горшх выработок с поморю комбайнов. ^мбайновая проходка капитальных горных выработок является перспективным направлением не только в горнодобывающих отраслях промышленности, она находит применение в шахтном строительстве, при проходке тоннелей п коллекторов.

Типичным представителем проходческого комбайна являются комбайны серии :3, разработанные в институте ВШПШрудмаш, которые используются, в частности, при разработке железорудных шс-торохпеняй Крпзбасса для проходки восстающих гор.ных выработок.

Расширение облает:; применения комбайновой проходкп предъявляет более высокие требования к эксплуатационным характеристикам комбайнов, улучшение которых до.тано обеспечить повышение эффективности постоянно расширяющегося парка проходческих комбайнов. Одним из магистральных направлений научно-технического прогресса в области бурения является комплексная автоматизация и оптимизация режимов работы буровых агрегатов.

3 настоящее время разработаны системы автоматического управления /, которые позволяют достигать экстремальных значений принятого критерия /себестоимости, энергоемкости, скорости бурения и др./. Однако, как правило, эти системы обеспечивает оптимальность рен;гла бурения при незначительных вариациях крепости пород, залегающих мощными пластами, и малых глубинах бурения. Ограниченные возможности систем управления объясняются тем, что они не учитывают вес става штанг и потери мощности на трение бурового става о стенки скванины, отсутствует коррекция мощности двигателя вращателя при эаряацяях крепости пород, входные ре-нмные параметры процесса бурения Р /осевое усилие/ Л. /скэрость вращения рабочего органа/ задаются и поддерживаются на оптимальном уровне не всегда с достаточной степенью точности.

Настоящая работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям проходческого комбайна типа 2КЗ, как объекта

автоматического управления, п разработке на их базе самонастраивающейся адаптивной СЛУ процессом бурения, позволяющей с повышенной точностью оптимизировать проходку по критерия наименьшей технологической себестоимости /£ - критерию/ мелких восстаяяах выработок при любых характеристиках геологического разреза, а для глубоких - при широких вариациях крепости пород, залегащих мощными пластами.

Принципы оптимизации комбайновой проходки, предложенное в работе, иогут быть успешно использованы на всех буровых агрегатах шарошечного типа, имеющих гидравлический механизм подача рабочего органа я регулируемый электрический призод последнего.

Цель работы. Повыпение эффективности функционирования проходческого комбайна за счет снижения стоимости проходки вос-стаадего.

Идея работы. Снижение стоимости комбайновой проходки посредством автоматической оптимизации с помощью самонастраивающейся адаптивной системы управления входными параметрами Р и П. при широких вариациях горно-геалогическях условий.

Защипаете научные положения.

1. Оптимизация проходки восставших выработок по,£- критерию при широких вариациях характеристик геологического разреза, отличающаяся тем, что данный критерий реализуется с помощью показателя интенсивности реяи"а разбуривания, являющегося произведением входных параметров Р и П.

2. Снижение стоимости проходки выработок достигается разработанными аппаратно-программными средствами, выполненными в виде самонастраивающейся адаптивной системы управления, отличающейся тем, что она обеспечивает оптимизацию проходки мелких восстающих при любых характеристиках геологического разреза, а дня глубоких - при широких вариациях крепости пород, залегающих мощными пластами.

3. Устаноатено впервые, что методы адаптации должны быть реализованы путем изменения структуры и параметров систем управления с учетом изменения веса става, потерь мощности на трение става штанг о стенки восстающего, выбора оптимачьного пока-

зателя интенсивности режима разбуривания и задания с высокой степенью точности оптимальной скорости вращения рабочего органа, определяемой как частное от деления оптимального показателя интенсивности режима разбуривания на величину оптимального осевого усилия.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов п рекомендаций подтверждается сходимостью результатов теоретических исследований с результатами имитационного моделирования и экспериментальными исследованиями проходческого комбайна в промышленных условиях.

Практическое значение работы состоит в том, что полученные результаты позволяют создать системы управления, оптимизирующие с повышенной точностью проходку по £ - критерию мелких восстающих выработок при любых характеристиках геологического разреза, а для глубоких - при широких вариациях крепости пород, залегающих мощными пластами, что позволяет снизить стоимость проходки в среднем на 19 %, увеличить надежность и долговечность проходческого комбайна.

Реализация результатов работы. Техническая документация на САУ передана Криворожскому заводу горного машиностроения. Заводом планируется оснацение серийно выпускаемых буровых стая-ков шарошечного типа разработанными системами автоматического управления.

Ожидаемый годовой экономический эффект от использования самонастраивающейся адаптивной САУ только на проходческих комбайнах серии КВ составляет в ценах 1989 г. 40344 руб. для комбайна 2КВ. Применительно к комбайнам 1КВ-1600 и 2КВ-3000 экономический эффект составит 64300 руб. и 188034 руб. соответственно.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на техническом совете Криворожского завода горного машиностроения в (феврале 1Э93 г., на заседании кафедры электротехники в марте 1934 г., а такяе на ученом совете электротехни-

ческого факультета Криворожского Технического Университета в мае 1994 года.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе б авторских свидетельств и I положительное решение на выдачу патента.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения я приложения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, содержит 3S рисунков, 2 таблицы, библиографический список из НО наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЕАШЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность теш, сфорг.улирована цель и кратко изложены полученные результаты.

В первой главе исследованы существующие на сегодняшний день отечествешше и зарубежные аналоговые и цифровые САУ буровыми агрегатами. Показана ограниченность и не всегда высокая эффектна- . -ность систем управления применительно к специфике комбайна.

Анализ состояния проблемы, проведенные теоретические исследования в области оптимизации комбайновой проходки позволили сформулировать основные задачи, решаемые в работе:

- провести исследование комбайна, как объекта автоматического управления, и выполнить математическое описание процесса раз-буривания восставшего;

- выбрать критерий опт [газации процесса разбуривания восстающего;

- разработать систему автоматического управления, обеспечивающую учет веса става штанг как в рек игле бурения передовой скважины, так и при разбуривании восстающего;

- разработать САУ, задающую с высокой точностью оптимальные скорость вращения рабочего органа П0 и вачичину осевого усилия на забой , а также обеспечивающую их вариации по оптимальным зависимостям при изменении крепости пород, а для монотонного по крепости пород разреза - поддержание на оптимальном уровне с высокой точностью режимных параметров Р0 и П0;

- разработать систему автоматического управления, учитывающую потери мощности на трение бурового става о стенки скважины и обеспечивающую тем самым постоянство мощности, затраченной на вращение на рабочем органе;

- разработать адаптивную САУ, обеспечиващую стабилизацию мощности, затраченной на вращение на рабочем органе, и ее коррек-

тировку согласно вариаций крепости пород;

- разработать самонастраивающуюся адаптивную СА7, обеспечивающую с высокой точностью оптимизацию проходки как глубоких, так и мелких восстающих выработок, а доя мелких, что наиболее характерно для условий Крнвбасса, и при широких вариациях неоднородно-стей горного массива.

Зо второй главе приведены статические и динамические характеристики проходческого комбайна 2КЗ. Статические характеристики были получены путем обработки на ЭВМ экспериментальных данных. 3 результате этого установлены следующие однофакторнне корреляционные зависимости: механическая скорость разбуривания восста*>-щего - осевое усилие на забой мощность двигателя вра-

щателя - осевое усилие на забой /Л/ае- Р /; крутящий момент двигателя вращателя - осевое усилие на забой удельная мощность на валу двигателя вращателя - осевое усилие на забой

Корреляционно-регрессионный анализ показал, что между выходными параметрами \/р, Л/¿5, и входным параметром Р существуют надежные корреляционные связи.

Для определения динамических характеристик системы с несколькими входами и выходами, к которой могло отнести процесс проходки восстагщего, последний представлен в виде системы с взаимно коррелированным входом и выходом. Передаточная функция канала передачи энергии Р -Ур имеет вид:

/г/=______Кн'Кг-Кн-КЪ-Кз-Кг^Тё&Ч) _ .(*)

* (Ы +7)3 (т^Т^Ч)

где ка2,къ,кр- коэффициенты передачи соответ-

ственно двигателя, труб гидросистемы, защитного клапана, первого гидродросселя, второго гидродросселя, гидрораспределителя, системы подачи рабочего органа; Тс,, Тк-г - постоянные времени колебательного звена, описывающие движение защитного клапана; - постоянные времени первого и второго гидродросселей соответственно; Т{ , Т2, Т3 - постоянные времени рабочего процесса системы подача.

Переходный процесс носит затухающий характер. Время переходного процесса в гидросистеме при возрастании величины давления от О до 100 кГс/см^ равно 5 секунд.

Передаточная функция канала П. описывается выражением:

\х/ fSJ- ' • К г ' Kj

где К0, Кт, кд) ,къ, Кс,к„,ки- передаточные коэффициенты

тиристорного преобразователя, датчика тока, двигателя вращателя, тахогенератора, маситабюго блока, блока компараторов с гистерезисом, датчика скорости разбуривания, двух порогового компаратора и блока задатчиков интенсивности режима разбуриЕа-ния; Г, , Т2 - постоянные времени двигателя вращателя.

Переходной процесс носит монотонный характер, его длительность до б секунд, Еремя запаздывания -0,9 секунды.

Характер переходных процессов подтвешлает устойчивость рассмотренных каналов передачи энергии.

Все проанализированные экспериментальный путей каналы управления проходческий комбайном хорошо аппроксимируются дифференциальным урагше'ше:' вида

yn(t)^l^^J(¿'nJ(í) *K~Ll(i-T) (3)

i-1

где У (i) - регулируемая координата; Q«." »динамические параметры объекта, 1=1,11 • К0 _ статический коэффициент усиления объекта; tt(t) - управляющее воздействие; X -- длительность запаздывания объекта.

Для нашего случая выполняется следующее условие:

К min * К0 < 1<та„ , = constt a¿ = const Для любого из этого диапазона суяествует управления вида

UoW = Kp(t)ÍKnS(i) - K« J4Z)ctt * КД б (i)] , (А)

о

где а ^(íj'^Ci) - обеспечивающее качественную обработку

ступенчатого задавшего воздс"' -пя $ (i) ; -кусочно-

постэяьная функция; Kn,K„. ' д - параметры управления t¿¿¿) • При порядке объекта п. - 5 .аблюдению досупны гп первнх фазовых координат ( m <П-1 ), ГП производная характеристического уравнения объекта имеет действительные корни в леюй полуплоскости.

Система /3/ , А/ определяет оптимальный монотонный переходной процесс максимальной степени устойчивости Jon ,

По известной методике произведен синтез управления проход-

чесгач комбайном, который позволяет выбрать оптимальные значения параметров управления вида А/, что дало возможность пред-локигь ряд систем автоматического управления проходческим комбайном, г том числе и адаптивных, на осноЕе разработанных автором отдельных оригинальных узлов автоматики, которые в сочетании со стандартными адаптивными регуляторами позволяют созда-?ать системы управления с коррекцией по отклонению и возмущению, с пересчетом весоЕых коэ№ииенто-в Кр, ^вариантных к

параметрам поподы, марки разбуривателя и его технического состояния .

3 третьей главе исследованы оптимальные режимы разбурива-ния комбайном 2КВ, обоснован и произведен выбор критерия оптимизации, получена его математическая модель.

В качестве критерия оптимизации выбран критерий технологической себестоимости проходки одного метра восстающего /В -- критерий/. Для оптимизации проходки по 3 -критерию использовано уравнение:

Я - С я Ср -

Ур(п.Р; ~ Т^сКУ) ' рч5/" (5)

где Сп - полные затраты на работу комбайна, включая средние расходы на- электроэнергию, за один час /стоимость комбайно-часа/, руб/час; Ср - стоимость аароаечкого раз бури вате ля, руб; Мр(П,Р) - скорость разбуривания, м/час.

Стойкость строчечного разбуривателя Ьр можно считать обратно пропорциональной скорости проходки \/р .

£Р = Кр-Ч> (б)

где КР - коэффициент пропорциональности, зависящий от типа разбуривателя, м/час.

С учетом /6/ уравнение /5/ примет вид:

Э - Сп . + Се-Ур(П,Р) (7)

" Ур(П,Р) КР

Лля практической реализации математической модели /7/ рассмотрим дЕа варианта ее исследования.

Первый, с использованием статических характеристик, заклю-. чается в замене скорости разбуривания линейной зависимостью

Vp = Аа+ А;Р (в)

При этом полагаем, что скорость врал(ения рабочего органа П поддерживается на постоянном уровне. В результате замены математическая модель преобразуется к виду

JS = —£с_+ Sjl^eIÔJV (9)

Ао + А; Р КР

Выражение /9/ представляет татематическую модель оптимизации разбуривания восстающего по & _ критерию, как функцию входного регулируемого параметра Р . Минимизируем функцию /9/

откуда величина оптимального осевого усилия

b-kCfêF-*-) пи

Определим знак второй производной £ по Р :

о^, 2СаА4г п dtz-(Ao+A;P)3'

при любых значениях Р в зоне объемного разруиения горных пород.

Следовательно, при P-R, стоимость проходки одного метра минимальна. Подставляя ¿11/ в /9/, получим минжлальнов значение технологической себестоимости , оптимизированное по величине осевого усилия Р :

с* . -l/SH

О mm у Кр

(12)

При разбурявании осевое усилие на забой определяется выра-

жением

где Рн - величина давленая масла в поршневой полости гидроцилиндров механизма подачи рабочего органа, кГс/см^ (давление напора) ;

р - рабочая площадь порпгневой полости гидроцнливдров, см**;

К - количество штанг в забое, шт.; - масса одной буровой штанга, кг; Мг - масса перемещающихся частей гидравлического механизма подачи и сарошечного разбуривателя с переходником, кг;

=9,8 м/с2 - ускорение свободного падения.

Знак минус перед К-Мф и говорит о том, что разбури-

вачие ведется снизу вверх. Приравнивая выражения /Ц/и /13/, получим:

г-рл- ' {и)

Из /14/ определяем Рн :

„ (У?? - А^км^т

Рн =-------------—------------------------ (1э)

Последнее выражение позволяет определить давление в гцдро-цнлиндрах подачи, обеспечивающее оптимальный режим разбуривания для данной крепости пород с учетом веса штанг, находящихся в забое.

Второй вариант исследования математической модели /7/ является более информативным. Преобразуем модель с целью получения зависимости технологической себестоимости £ одного метра разбуривания от ра^имных параметров Р и 1 . Для этого во спатьзуемся формулой, описывающей зависимость \/р = / ( Р. ^ . применительно к комбайну 2КВ, известной аз литературу.

,/ 0,18 РП

Ур = ~

где П - скорость вращения разбуривателя, мин""*; Р - осевое усилие на забой, кГс; Рк - контактная прочность горной породы, кГс/мм2, зависящая от коэффициента крепости пород£ ; X? - диаметр восстающего, г,г.!; с£ - диаметр передовой сквагины, мм.

Подставляя /1с/ в /7/ получаем математическую модель, как функцяч зависимости технологической себестоимости разбуривания от режимных параметров Р , П и определенного значения коэффициента крепости пород

< Сп-Рк9Г(]>-с1) О.Гб'СрРП

или в общем виде:

"I e.»-<¿

где В ~ рк°.9Г(2)-с1)kp

Исследуем полученную математическую модель /1С/. Анализ показывает, что функция не имеет абсолютного экстре:.ума, однако для нее характерно наличие условного экстремума. Введя уравнение связи

(19)

где С - новая переменная величина. Из /18/ получаем

sв с (г0)

Найдем минимальное значение выражения /10/

-- А + в + 8

c¿ с - "с5" ' *

откуда f> _1М- , <

° ' Г 8

где Со - оптимальное значение показателя интенсивности резима разбурлваяия.

Производная второго порядка

c¿25; ¿A 0

так как А > О, С > О.

$

Это значит, что математическая модель при С=С0 достигает минимума, величину которого модно вычислить по формуле:

Вычисления по формулам /21/ и /22/ дают оптимальные значения Qj, для заданного коэффициента крепости пород j , типа разбури-вателя и его цены.

Выражение /1С/ позволяет получить более обобщенные сведении об оптимальных рохимах работы комбайна. Для этого, в режимных координатах Р и /1 построено поле технологической себестоимости процесса разбуривания. Структура поля отражена линиями равного уровня«^. Линии уровня носят гиперболический характер, поэтому, вместо локального минимума, прослеживается линия уровня наименьшей технологической себестоимости «Só. Координаты точек этой линии определяют множество значений параметров входа Р н 1 , обе-

слечлвапцах оптимальный режим работы комбайна по ^ - критерию.

Стратегия корректировки ре-т.има разбуривания заключается в поддержании таких значений параметров Р и Л , произведение которых отвечало бы оптимальноглу показателю, интенсивности режима разбуривания, т.е. С„-РП., что обеспечивает минимальную технологическую себестоимость*^ для заданного значения коэффициента крепости пород, типа разбуривателя и его цены.

На основании выполненных расчетов построены графические зависимости оптимального значения показаталя интенсивности режима разбуривания ^о для данного типа разбуривателя от коэффициента крепости пород / .

Для каждого из трех типов разбурпвателей, попользованных ¡га комбайне, построено со"э.Чство из трех оптимальных линий уровня технологически" " ¡ямости разбуривания «5о , отвечающих дискретным зла"'- . : ;щпента крепости пород, на которые рассчитан дачны,'! ..шатель.

В четвертой главе приведены разработанные автором локальные САУ проходческим комбайном. Нше изложены основные технические принципы, положенные в основу систем управления, и области их наиболее эффективного использования.

1. Автоматический регулятор осевого усилия бурового инструмента на забой учитывает вес бурового става и поддерживает на породоразрупаэдем органе постоянное по величине осевое усилие вне зависимости от веса /длшы/ става.

Применение регулятора наиболее эффективно при разбуравании глубоких восстающих по однородным породам с мало меняющимся коэффициентом крепости.

Автоматический регулятор обеспечивает оптимизацию проходки восстающего по критерию максимальной .механической скорости бурения.

2. Самонастраивающийся автоматический регулятор осевого усилия бурового инструмента на забой по принципу действия в значительной степени аналогичен предыдущему. Однако, благодаря изменения?.! в принципиальной схеме он приобрел свойство самонастройки

по величине осевого усилия в зависимости от крепости пород. Наибольшую эффективность регулятор обеспечивает при проходке глубокого восстающего по перемежающимся породам с широкими вариациями их физико-механических свойсте.

3. Систе:,"? автоматического у .травления осевой нагрузкой и скоростью вр ' • рабочего органа оптимизирует прохот; ■.осста-

гащего посредством стабилизации мощности двигаташ вращателя и изменения осевого усилия на забой, скорости вращения рабочего органа по оптимальным зависимостям.ч незначительных вариациях (фе-пости пород. САУ наиболее эффективна при проходке неглубоких восстающих по породам, залегающим мощными пластами с незначительными вариациями крепости.

4. Система автоматического управления осевой нагрузкой с повышенной точностью задания скорости вращения рабочего органа обеспечивает оптимальность проходки посредством стабилизации мощности, затраченной на вращение рабочего органа, и изменения осевого усилия на забой, а также скорости вращения рабочего органа по оптимальным зависимостям при незначительных вариациях крепости пород.

Система управления наиболее эффективна при проходке неглубоких восстающих с широкими вариациями неоднородностей массива и незначительными изменениями целости пород.

5. Система автоматического управления осевой нагрузкой и скоростью вращения рабочего органа со стабилизацией мощности двигателя вращателя посредством коррекции осевого усилия. САУ обеспечивает оптимальность процесса разбурпзания благодаря стабилизации мощности двигататя вращателя, а также изменению осэвого усилия и скорости вращения рабочего органа по оптимальным зависимостям при незначительных вариациях крепости пород. Она оптимизирует проходку неглубоких восстающих по породам, залегающим мощными пластами, с незначительными вариациями крепости.

6. Адаптивная система автоматического управления процессом разбуривания, в отличие от всех предыдущих, обеспечивает задание и стабилизация мощности двигателя вращателя исходя из физико -механических свойств пород, определяемое по скорости разбуривания.

Система управления наиболее эффективна при проходке неглубоких восстающих по породам, залегающим мощными пластами с широкими вариациями крепости, что наиболее характерно для условий горного Криэбасса.

7. Система автоматического управления процессом разбуривания со стабилизацией мощности на вращение на рабочем органе вне зависимости от длины бурового става, с одновременным изменением осевого усилия и скорости враченил рабочего органа по оптимальным зависимостям при незначительных вариациях крепости пород. Достоинством САУ является более высокая эффективность оптимиза-

циа, благодаря учету потерь на трение, прогрессирующих по мере увеличения длины става.

САУ обеспечивает с повышенной точностью оптимальность раз-буриванил неглубоких восстающих по породам, залегающим мощными пластами с незначительными вариациями крепости.

Последние шесть описанных локальных- САУ обеспечивают оптимизацию проходки восстающего по «5* - критерию.

Предлагаемый набор локальных систем управления предстазля-ет горнш.1 предприятия:.!, эксплуатирующим буровые агрегаты с рабочим органом шаропечного типа и гидравлическим механизмом подачи последнего возможность широкого выбора САУ, которые обеспечат наибольшую эффективность буровых работ в самых разнообразных горно-геологичэских условиях.

Б пятой глазе рассмотрена самонастраивающаяся адаптивная САУ. Система управления построена на принципе задания и стабилизации на рабочем органе мощности, затраченной на его вращение, исходя из физико-механических свойств пород и с учетом потерь мощности на трение бурозсго става о стенки скважины. Она учитывает вес стаза штанг и изменяет величину осевого усилия и скорости вращения рабочего органа с высокой точностью по оптимальным зависимостям при широких вариациях крепости пород.

Самонастраивающаяся адаптизная САУ обеспечивает с повышенной точностью оптимизацию проходки как глубоких, так и мелких восстающих выработок при широких вариациях крепости пород, а для мелких восстающих и при широких вариациях неодпородностей разреза, оптимизирую проходку по - критерия.

Здесь же приведен сравнительный анализ эффективности ручной и автоматической оптимизации проходки восстающего при широких вариациях горно-геологических условий. Процесс ручной оптимизации осцкллографировался в ходе экспериментальных исследований комбайна. "рлвые автоматпческо:® оптимизации получены методом имитационного моделирования. Моделировалась САУ, оптимизирующие проходку только по параметрам Р или П- , а также адаптивная самонастраивающаяся САУ, оптимизирующая проходку по параметрам Р и П. одновременно .

Сравнение результатов экспериментальных исследований и имитационного моделирования позволило сдалать вывод о более высокой эффективности автоматической оптимизации. Из моделируемых САУ наибольшая эффективность показана тдаптизной самонастраивающейся системой управления.

Системы автоматического управления проходческим комбайном, приведенные в настоящей работе защищены авторскими свидетельствами 1372034, 1677283, 1719122, 1745908, 1809022, 1821552 и положительным решением на выдачу патента по заявке 187Ц49/03.

В данной главе также приведен экономический эффект от внедрения самонастраивающейся адаптивной САУ.

За базу сравнения приняты варианты комбайнов для проходки восстающих выработок без использования самонастраивающейся адаптивной САУ.

Факторами, определяющими экономическую и социальную эффективность САУ, являются: уменьшение себестоимости проходки одного погонного метра восстающего на 19 %, увеличение ресурса рабочего органа и надежности проходческого комбайна, улучшение условий труда машиниста и его помощника.

Ожидаемый годовой экономический эффект от использования самонастраивающейся адаптивной САУ на проходческом комбайне 2КЗ в '' ценах 1989 г. составляет 40344 руб. Применительно к комбайнам типов 1КВ-1600 и 2КЗ-ЗОСО экономический эффект составит 64390руб. и 188034 руб. соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены научно-технические решения, которые вносят вклад в развитие процессов управления шарошечным способом бурения и заключающиеся в установлении и научном обосновании закономерностей оптимизации комбайновой проходки восстающих выработок при широких вариациях горно-геологических условий; сформированы способы и алгоритмы для реализации оптимального управления, а также структура адаптивной самонастраивающейся САУ.

Научно обоснованы принципы хштимального управления по ^ -критерию и на их базе системы управления, позволяющие обеспечить снижение стоимости проходки, повышение надежности п долговечности проходческого комбайна.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

I. Изучены статические и динамические характеристики проходческого комбайна и на их базе научно обоснована математическая модель технологической себестоимости одного погонного метра про-

ходки восстающего в зависимости от входных релимных параметров Р и П с учетом коэффициента крепости порол, типа разбурлвателя и его цены.

2. Научно обоснован зыбор критерия оптимизации процесса разбуриваняя восстающего, в качестве которого использован ¿з -критерий, синтезирующий технические, технологические и экономические условия и обеспечивающий минимальную себестоимость одного погонного метра проходки восстающего.

3. Исследовано поле технологической себестоимости процесса разбурнзания в координатах Р и П. для фиксированных значений коэффициента крепости пород, заданного типа разбуривателя и его цены. Линии уровня паля носят гиперболический характер, четко прослеживается линия уровня наименьшей технологической себестоимости. Обоснован расчет минимального значения технологической себестоимости для всех возможных условий.

4. Изучены закономерности связей и получены зависимости, позэолящие выбрать оптимальные значения показателя интенсивности режима разбуриваняя, обеспэч.'ша-здие реализацию минимальной технологической себестоимости, как 'Т;я?кцию крепости пород, типа разбуривателя я его цены.

5. Разработаны локальные САУ, учитывающие вес бурового става, потери мощности ¡а трение става штанг о стенки восстающего, производящие выбор оптимального показателя интенсивности режима разбурлвачия и задающие с высокой степенью точности оптимальную скорость вращения рабочего органа.

Технические решения, использованные в системах управления, выполнены на уровне изобретений.

6. На основе полученных закономерностей сформулированы алгоритмы оптимального управления шарошечным способом бурения по 3 - критерию, реализованные в адаптивной самонастраивающейся САУ, оптимизирующей с повышенной степенью точности проходку мелких восстаодих при любых характеристиках геологического разреза, а для глубоких - при широких вариациях крепости пород, залегающих мощными пластами.

Показано, что осевое усилие на забой, скорость вращения рабочего органа и мощность, затраченная на вращение на рабочем ор-

ганв должны поддерживаться на уровне, соответствующем оптимальному показателю интенсивности ражима разбуривачия, величина которого задается в соответствии со скоростью разбуривания, являющейся функцией коэффициента крепости пород.

Высокая степень точности оптимизации"достигается путем использования оптимальной скорости вращения рабочего органа, определяемой как частное от деления оптимального показаталя интенсивности режима разбуривания на величину оптимального осевого усилия, учета потерь мощности на трение бурового става о стенки восстающего, веса стаза штанг.

Использование адаптивной самонастраивающейся САУ обеспечивает снижение стоимости проходки восстающего в среднем на 19 5.

7. Установлено, что автоматическая оптимизация проходки посредством адаптивной самонастраивающейся САУ уменьшает длительность переходного процесса в 2,5 раза по сравнению с ручной оптимизацией.

8. Ожидаемый годовой экономический эффект от использования самонастраивающейся адаптивной САУ на проходческом комбайне типа 2КВ в ценах 1989 г. составляет 4СХ344 руб.

Основные положения диссертации опубликозанч в работах:

1. A.c. 1372034 СССР, МКИ Е 21 В 44/СО. Автоматический ро-гулятор осевого усилия бурового инструмента на забой.Борзенко М.Ю. - Опубл. 07.02.88. Бел. Л 5.

2. A.c. 1677283 СССР, !ЛК1i Е 21 В 44/00. Система автоматического управления режимом бурения. Борзенко М.Ю. - Опубл. 15.09.91. Бал. № 34.

3. Борзенко М.Ю. Автоматический регулятор осевого усилия бурового инструмента на забой. Разработка руд черных металлов: сб. научи, тр. - Кривой Рог: ШГРИ, 1989. - с.119-123.

4. Борзенко М.Ю., Смаглюк З.П. Оптимизация режима бурения комбайна 2КВ по величине осевого усилия. Разработка железных и

марганцевых руд: сб. научн. тр. - Кривой Рог: НИГРИ. 1988. -O.I38-I4I.

5. джура H.H., Еорзенко .'«.hj., Косей П.М. и др. Создание микропроцессорной система управления проходческими комбайнами КВ. Проблемы повышения эффективности работы горнорудных предприятий: jö. научи, тр. - Кривой Рог: НПГРИ. 1987. - с.107-110.

6. A.c. I7I9I22 СССР, ЖИ Е 21 В 44/00. Система автоматического управления осевой нагрузкой и скоростью вращения рабочего органа. Борзенко М.Ю., Ьлидермойз А.И., Астафьев А.Ю. - Опубл. 15.03.92. I п. Je 10.

7. A.c. 1745908 СССР, !.KI Е 21 В 44/00. Автоматический регулятор осевого усилил бурового инструмента на забой. Еорзенко М.Ю.-- Опубл. О".07.92. Бот. Ji 25.

3. А.е. I821552 СССР, 1Ш Е 21 3 44/00. Система автоматического управления процессом бурения со стабилизацией мощности на вращение на рабочем органе вне зависимости от длины бурового става. Борзенко М.Ю. - Опубл. 15.05.93. Бол. Л 22.

9. Заявка 1Ь 4871149/03. Борзенко М.Ю. Си-стег.а автоматического управления осевой нагрузкой с повышенной точностью задания скорости вращения рабочего органа, от 02.10.90 с положительным решением на задачу патента от 21.04.92.

10. A.c. 1603022 СССР, ifiGl Е 21 В 44/00. Адаптивная система автоматического управления процессом бурения. Борзенко М.Ю., Хо-рольский B.II., АстаХьев А.Ю. - Лпубл. 15.04.93. Б:-:. 14.

Личный вклад соискателя в ,-аботах. написанных з соавторстве:

3 работах, написанных в соавторстве, лично соискателем выполнено: в работе /4/ предложена оптимизация режима бурения комбайном по величине осевого усилия, в работе /5/ разработаны технические требования к микропроцессорной системе управления комбайном и определена рациональная степень его автоматизации, в работах /о/ и /10/ выполнено теоретическое обоснование, разработана идея и основные признаки изобретения.

I 9

Bor;:enko M. Yu.

Self-adjusting adaptive system of automatic control t>y tunneling machine provide minimum value of rise driving. Thesis for deqree of candidate of technical sciences in speciality 05.13.07 - "Automation of production processes and industries'.

Krivorozhski Technical University. Krivoy Rog. 1996.

Three (3) scientific works shall be defended, as uell as six (6) auther's certificate and one <1> resolution to issue the patent consisting the results of theoretical and experimental studies of the tunneling machine as being an obiect of automatic control. There uere determined analitical and of the rise drilling out optimization and giving the possibility to create self-adjusting adaptive system of tunneling machine automatic control uhich provides the rise driving out optimization with uide range of mining and qeological conditions. Simulation of the uorked out control system has been made.

Еорзенко ti.L. Адаптивна система автоматичного управл1ння прох1Дницькнм комбайном, яка самоналаштовуеться i забезпе^е мШмальну варт1сгь npoxiflKH повсталих виробок.

¿¿юертащя на здобугтя вченого ступени кандидата техн1чнкх наук за спещапыисто 05.13.Л,- "Автоматизац1я технологхчних процес1в га виробництв". Кривор13ькиА техшчний ун1версктет. Кривий Pir, 1996.

Захкцаяться 3 науков! пращ, 6 авторських св1Доцтв i I по-эигивне ршення на видачу патенту, як1 ьистять результат теоретичных та експерименгадьних досл1дкень прох1дницького комбайну, як об'екту автоматичного угравл1кня. Ьстановлен1 анал1тичн1 га емп1ричн1 залежное«, hki описують процес оппаизащ! розбу-рювання виробок, цо дозволило створити адэптивну скстецу автоматичного управл1ння прохшишьким комбайном, яка самоналаштовуеться i ззбезпеч/е omi м; Miaauiu прох1Д1;1. повсталих виробок при широких Bapiaqiflx горно-геолог1чних умов. Ьпконано iMira-цгйне моделювашш розроблено)! систем управлгння.

Ключов1 слова: оптиыгзащя процесу бурЬшя виробок, цо пое-стають; адаптивна система управл1ння прох1ЯН1Щьккм ко;-*5айном, яка са:.:оналаато1уе1ься i з?.бсзпеч>е мЬлыаг.Ый- B'ipiicib r.::oxi.,-kh поветглих виробок.

Подписано в печать " "_1996г. Формат 60x84/18

Печать плоская. Объем 1 п.л. Т1фаж 100 экз. Заказ №_

Ротапринт КТУ, 324027, Украина, г.Крпвои Рог, ул. XXII партсъезда, 11