Наукові основи аналізу і синтезу гірничих машин як мехатронних систем

На основі F-моделі, а також системного зображення гірничої машини як мехатронного об'єкта, S-модель комбайна може бути представлена без деталізації конструктивних особливостей окремих підсистем. Найбільш важливою підсистемою, що визначає структуру комбайна в цілому, є виконавчий орган. Основою S-моделі виконавчого органа є його кінематика, що обумовлює рухливість елементів конструкції комбайна, а отже, і можливі схеми обробки вибою. На основі аналізу конструкцій існуючих прохідницьких комбайнів були виділені можливі найбільш ефективні кінематичні схеми і розроблені відповідні алгоритми функціонування.

Як показав аналіз, найбільш ефективними є S-моделі виконавчого органу V й VI (рис. 9,а) з алгоритмом керування «а» (рис. 9,б), що забезпечують мінімальний виліт стріли та число циклів навантаження, можливість точного відтворення контуру виробки й установки механізованого призабійного кріплення. Отримані функціональні вимоги та структурні рішення, захищені патентами.

ВИСНОВКИ

У дисертації подані теоретичне узагальнення і нове вирішення актуальної науково-технічної проблеми, що має важливе народногосподарське значення та полягає в розробці наукових основ аналізу і синтезу гірничих машин як мехатронних систем на основі інтелектуалізації системи керування робочими процесами, що дозволяє забезпечити створення виймальних машин як мехатронних об'єктів нового технічного рівня й підвищити ефективність їх використання.

Основні наукові й практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Інтенсифікація й концентрація очисних робіт вимагає підвищення темпів проходки підготовчих виробок до 300-800 м/міс., у тому числі по породах високої міцності. Забезпечення таких темпів потребує макрорівневих параметрів прохідницького комбайна традиційної конструкції не менше: потужність приводу виконавчого органу - 1000 кВт; маса - 300 т; ресурс (по породах с ) - 10 тис. м³. Істотне підвищення параметрів обумовлене недостатньою ефективністю використання потенційних можливостей прохідницьких комбайнів: середня за цикл обробки вибою продуктивність руйнування гірського масиву забезпечується на рівні в середньому 38% і не більше за 60% від можливої, при середньому коефіцієнті машинного часу близько 0,2. Реалізація мехатронної конструкції комбайна, що забезпечує заданий темп проходки, дозволить знизити вимоги до потужності приводу виконавчого органу та маси комбайна на 40-60 % для всього діапазону застосування комбайнів з різальним робочим інструментом.

2. Розроблено математичні моделі:

- процесу комбайнової проходки виробки, що зв'язує основні макрорівневі параметри комбайну - енергооснащеність виконавчого органу, масу та ресурс із основним показником його технічного рівня - місячним темпом проходки виробки;

- мехатронної гірничої машини як динамічної системи, що являє собою сукупність моделей мехатронних функціонально-завершених елементів (модулів) силових систем з інтегрованими датчиками, що дозволяють системі інтелекту комбайна оцінити й шляхом задання векторів керуючих впливів забезпечити необхідні характеристики робочого процесу;

- мехатронного ФЗЕ «Вектор зовнішнього збурювання на коронці» з уточненим алгоритмом визначення параметрів стружкоутворення, що враховують коливальний характер руху виконавчого органу, складну кінематику руху різців аксіальної коронки й утворюваної при цьому поверхні вибою. Неврахування перерахованих вище факторів призводить до погрішності до 20 % при визначенні навантажень, формованих на виконавчому органі машини;

- прохідницького вибою, оброблюваного виконавчим органом комбайна вибіркової дії, що дозволяє зв'язати основні параметри виробки з характеристиками режиму руйнування окремих пластів гірського масиву;

- синтезу мехатронного прохідницького комбайна, що дозволяє на стадії проектування машини за середньозваженим критерієм (з урахуванням імовірнісного характеру умов експлуатації) обґрунтовувати раціональні структури, параметри та алгоритми функціонування комбайну, а в процесі навчання й експлуатації машини за альтернативним критерієм (темп проходки або ресурс) здійснювати коректування параметрів й алгоритмів системи інтелекту машини з урахуванням структури і параметрів вибою.

3. Ефективне керування процесом руйнування вибою прохідницьким комбайном вимагає вирішення зв'язаних завдань адаптивної оптимізації, для яких розроблені математичні моделі та методи:

- оптимізації циклу обробки й параметрів режиму руйнування вибою виконавчим органом прохідницького комбайна за критерієм темпу проходки;

- оптимізації циклу обробки та параметрів режиму руйнування вибою виконавчим органом прохідницького комбайна за критерієм ресурсу елементів конструкції комбайну при заданому темпі проходки;

- оптимізації відпрацьовування керуючих впливів, що забезпечує прогноз зниження швидкості подачі виконавчого органа з випередженням до початку обробки ділянок вибою більш високої контактної міцності;

- оптимізації перебору породи по контуру виробки, застосування яких дозволяє компенсувати вплив часткової втрати стійкості машини та інерційності підсистеми «виконавчий орган» прохідницького комбайна.

4. Розроблено методи:

- обґрунтування основних макрорівневих параметрів комбайну - енергооснащеності виконавчого органу, маси та ресурсу на базі основного показника його технічного рівня - місячного темпу проходки виробки;

- обробки даних реєстраторів подій, що відбулися, якими оснащуються сучасні прохідницькі комбайни, що дозволяє виконувати оцінку характеристик робочого процесу руйнування вибою виконавчим органом (режим роботи приводу, коефіцієнт машинного часу, коефіцієнт використання потужності, питомі енерговитрати, теоретична продуктивність) на базі тривалого безперервного запису струму двигуна;

- ідентифікації регресійних залежностей питомих енерговитрат і коефіцієнта нерівномірності моменту опору на валу двигуна приводу різання від режимних параметрів руйнування вибою з урахуванням параметрів коронки в процесі адаптації мехатронного прохідницького комбайна до конкретних умов його експлуатації.

5. Експериментально на основі тривалого запису струму двигуна (протягом 120 годин) встановлені середні значення та діапазони можливих значень із довірчою ймовірністю 0,95 характеристик робочого процесу руйнування вибою виконавчим органом прохідницького комбайну в представницьких умовах експлуатації:

- змінний коефіцієнт машинного часу: середнє значення 0,18±0,04; діапазон від 0,01 до 0,34;

- середні за цикл обробки вибою питомі енерговитрати: середнє значення 4,68±0,61 кВт?год/м³; діапазон від 2,29 кВт?год/м³ до 7,03 кВт?год/м³;

- середня за цикл обробки вибою теоретична продуктивність: середнє значення 0,25±0,04 м³/хв; діапазон від 0,11 м³/ хв до 0,39 м³/ хв.;

- тривалість увімкнення двигуна змінюється в діапазоні від 0 до 1 (рівномірний розподіл), при числі вмикань на годину не більше 5;

- значну частку часу (приблизно 80%) становить робота приводу з рівнем навантаження не більше за 70% від номінальної. При цьому мають місце режими, у яких потужність в 1,6-1,8 разів перевищує номінальну потужність приводного двигуна.

6. У результаті теоретичних досліджень встановлено:

- ефективність процесу руйнування вибою значною мірою визначається принципом керування системою «керована машина - зовнішнє середовище». Найбільш ефективним є інтелектуальне керування, адаптивне до конкретних умов експлуатації та характеристик машини, засноване на прогнозі структури і характеристик міцності вибою, комплексному підході при визначенні параметрів схеми і режимів руйнування для кожного різу та породного шару з обліком усього циклу обробки, інерційності керуючої системи та виконавчого органу;

- інтелектуальне керування дозволяє забезпечити повне (на рівні 97-100%) використання теплої потужності приводного двигуна в межах циклу обробки. Рівень перевищення питомих енерговитрат над раціональними становить від 3,5 до 50% і залежить від порядку оптимізації значень параметрів, що задають режим руйнування (кроку фрезерування, глибини зарубки, швидкостей подачі й обертання різального органу), структури та характеристик міцності вибою;

- технічний темп проходки (при незмінному принципі керування) істотно впливає на ресурс елементів конструкції комбайна. Даний ефект підсилюється при збільшенні міцності порід, що руйнуються. Інтелектуальне керування дозволяє керувати в процесі експлуатації комбайна раціональним співвідношенням між темпом проходки виробки та ресурсом машини (зі збільшенням темпу ресурс істотно падає);

- ефективність інтелектуального керування процесом руйнування вибою за критерієм ресурсу істотною мірою залежить від алгоритму адаптивної оптимізації в конкретних умовах експлуатації. Так для більш міцних порід з великим розкидом фізико-механічних властивостей більш ефективним є алгоритм, що реалізує руйнування вибою з максимальними швидкостями подачі з наступним визначенням раціонального кроку фрезерування, ніж з максимальним кроком і навпаки;

- регулювання швидкості обертання коронки призводить до багаторазового (до 20 разів) зниження ресурсу елементів конструкції комбайна за інших рівних умов при незначному збільшенні змінного темпу проходки (до 15%);

- инерційність силових систем прохідницького комбайна обумовлює запізнювання при відпрацьовуванні керуючих впливів, що призводить: при переході з менш міцних порід ( =100 МПа) на більш міцні ( =500 МПа) до зростання максимальних навантажень за цикл обробки вибою на 10% і, як наслідок, до зниження ресурсу металоконструкцій не менше, ніж у 2 рази; а також до переборів породи за проектний контур виробку до 55 мм. Величина перебору залежить від інерційності виконавчого органу, а також від фізико-механічних властивостей гірського масиву;

- інтелектуальне керування мехатронним прохідницьким комбайном на основі встановлених закономірностей адаптивної оптимізації дозволить порівнянно з автоматизованим і ручним принципами керуваннями підвищити темп проходки в 1,4-2,5 рази, а ресурс елементів металоконструкції - не менше, ніж у 10 разів, трансмісії: підшипників - до 2х разів; зубчастих коліс (контактна втома) і коротких валів - до 3х разів; зубчастих коліс (згинальна втома) і довгих валів - до 15 разів.

7. З використанням розроблених методів, математичного і програмного забезпечення обґрунтовані структура та макрорівневі параметри мехатронного прохідницького комбайна для підвищених темпів проходки. Отримані функціональні вимоги та структурні рішення, захищені патентами. Відповідні рекомендації зі створення прохідницьких комбайнів мехатронного класу частково використані ДП «Дондіпровуглемаш» і ЗАТ «Горлівський машинобудівник» при створенні й модернізації комбайнів КПД і КПА, а також прийняті до впровадження ПАТ «Донецьксталь» - металургійний завод».

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні положення роботи відбиті у наступних публікаціях:

1. Семенченко А.К. Теоретические основы анализа и синтеза горных машин и процесса их восстановления как динамических систем / А.К. Семенченко, В.М. Кравченко, О.Е. Шабаев - Донецк: РВА ДонНТУ, 2002. - 302с.

2. Создание исполнительных органов для высокопроизводительных горных машин / А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Д.А. Семенченко, Н.В. Хиценко, Е.Ю. Степаненко // Nowoczesne metody eksploatacji wegla i skal zwiezlych (monografia), «Techniki urabiania 2007», Akademia gorniczo-hutnicza im. Stanislawa Staszica w Krakowie. Krakow, 2007. - С. 95-101.

3. Повышение технического уровня горных проходческих машин для интенсивной добычи / А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Н.В. Хиценко, О.К. Мороз // Nowoczesne metody eksploatacji wegla i skal zwiezlych (monografia), «Techniki urabiania 2007», Akademia gorniczo-hutnicza im. Stanislawa Staszica w Krakowie. Krakow, 2007. - С. 81-94.

4. Шабаев О.Е. Обоснование значений макроуровневых параметров проходческого комбайна / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, А.И. Хиценко // Уголь Украины. -2011. - № 5. - С. 49-52.

5. Моделирование рабочего процесса проходческого комбайна как мехатронного объекта / О.Е. Шабаев, Н.В. Хиценко, Н.И. Стадник, В.А. Мизин // Вісті Донецького гірничого ін-ту / Донецький національний технічний університет. - Донецьк, 2011. - №1. - С. 72-83.

6. Шабаев О.Е. Теоретические основы синтеза горных машин как мехатронных систем / О.Е. Шабаев, Н.В. Хиценко // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Вип. 21(189), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2011. - С. 173-183.

7. Экспериментальные исследования режимов работы исполнительного органа проходческого комбайна / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко, Н.И. Стадник // Горное оборудование и электромеханика. - 2010. - №10. - С.49 - 56.

8. Шабаев О.Е. Адаптивная оптимизация цикла обработки и параметров режима разрушения забоя проходческим комбайном избирательного действия по критерию темпа проходки / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: междунар. сб. науч. тр. - Донецк, 2010. - Вып. 39. - С.210-219.

9. Математическая модель рабочего процесса горной выемочной машины как мехатронного объекта / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко, Е.Ю. Степаненко // Вісті Донецького гірничого ін-ту / Донецький національний технічний університет. - Донецьк, 2010. - №2. - С. 253-264.

10. Шабаев О.Е. Адаптивная оптимизация цикла обработки и параметров режима разрушения забоя проходческим комбайном избирательного действия по критерию ресурса / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко // Наук. вісн. НГУ. - Дніпропетровськ: НГУ. - 2010. - № 6. - С. 36-42.

11. Математическая модель формирования вектора внешнего возмущения на аксиальной коронке мехатронного проходческого комбайна / А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Н.В. Хиценко, Е.Ю. Степаненко // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Вип. 18(172), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2010. - С. 3-12.

12. Алгоритм самообучения интеллектуальной системы управления проходческого комбайна / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко, Е.Ю. Степаненко // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Вип. 20(176), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2010. - С. 140-145.

13. Адаптивная оптимизация рабочих процессов проходческого комбайна как мехатронного объекта / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко, Е.Ю. Степаненко // Горное оборудование и электромеханика. - 2010. - №7 - С. 16 - 21.

14. Шабаев О.Е. Принципы интеллектуализации рабочих процессов мехатронной горной выемочной машины / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко // Вісті Донецького гірничого ін-ту / Донецький національний технічний університет. - Донецьк, 2010. - №1. - С. 68-77.

15. Шабаев О.Е. Математическая модель рабочего процесса частотно регулируемого привода мехатронного выемочного комбайна / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Вип. 17 (157), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2009. - С. 266-273.

16. Оценка эффективности проходческого комбайна с интеллектуальной системой "управление-подача" исполнительного органа. / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Е.Ю. Степаненко, Н.В. Хиценко // Вісті Донецького гірничого ін-ту / Донецький національний технічний університет. - Донецьк, 2009. - №1. - С. 207-217.

17. Мехатронная система подачи исполнительного органа проходческого комбайна с интеллектуальным модулем воспроизведения контура выработки / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко, Е.Ю. Степаненко // Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок: зб. наук. праць. - Донецьк: ВАТ "НДІГМ імені М.М. Федорова", 2008-2009. - Вип. 102-103. - С. 404-414.

18. Повышение ресурса проходческих комбайнов с аксиальными коронками на основе регулятора нагрузки в системе подачи исполнительного органа / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко, Д.А. Семенченко, Е.Ю. Степаненко // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Вип. 16 (142), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2008. - С. 264-273.

19. Системное представление горной машины как мехатронного объекта / А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Д.А. Семенченко, Н.В. Хиценко // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Вип. 13 (123), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2007. - С. 125-131.

20. К вопросу повышения технического уровня высокопроизводительных комплексов / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Н.В. Хиценко, Д.А. Семенченко, Е.Ю. Степаненко, Н.Н. Мотин // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Вип. 14(127), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2007. - С. 218-223.

21. Системное представление строительно-дорожных машин как мехатронного объекта / А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Д.А. Семенченко, Н.В. Хиценко, А.В. Гаврюков // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета и Северо-восточного научного центра Транспортной академии Украины: сб. науч. трудов. - Харьков, 2007. - Вып.38. - С.293-295.

22. Принципы создания проходческих комбайнов как мехатронных систем / А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Д.А. Семенченко, Н.В. Хиценко // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Вип. 12(113), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2006. - С. 238-243.

23. Оценка необходимой энерговооруженности проходческих комбайнов, обеспечивающих интенсификацию горных работ / А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Д.А. Семенченко, Н.В. Хиценко, В.И. Хомичук // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Вип. 12(113), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2006. - С. 225-230.

24. Методика выбора параметров аксиальных коронок и их систем подачи / А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Д.А. Семенченко, Н.В. Хиценко // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Вип. 104, серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ, 2006. - С. 183-189.

25. Перспективы развития проходческих комбайнов / А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Д.А. Семенченко, Н.В. Хиценко // Горная техника 2006. Каталог-справ. - СПб: ООО «Славутич», 2006. - С. 8-15.

26. Перспективы создания проходческих комбайнов нового технического уровня / А.К. Семенченко, О.Е. Шабаев, Д.А. Семенченко, Н.В. Хиценко // Горная техника 2005. Каталог-справ. - СПб: ООО «Славутич», 2005. - С. 60-69.

27. Обоснование структуры исполнительного органа проходческого комбайна нового технического уровня / О.Е. Шабаев, Д.А. Семенченко, Н.В. Хиценко, В.А. Мизин // Вісті Донецького гірничого ін-ту / Донецький національний технічний університет. - Донецьк, 2001. - №2. - С. 118-123.

28. Интеллектуализация рабочего процесса проходческого комбайна как мехатронного объекта / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Е.Ю. Степаненко, Н.В. Хиценко, О.К. Мороз // Zastosowanie mechaniki w gornictwie / VII Miedzynarodowa Konferencja / - Ustron, 2009. - С. 77-87.

29. Шабаев О.Е. Оценка влияния интеллектуальной системы "управление-подача" исполнительного органа проходческого комбайна на точность воспроизведения заданного профиля выработки / О.Е. Шабаев, А.К. Семенченко, Е.Ю. Степаненко // IX Szkola Geomechaniki 2009 / Miedzynarodowa Konferencja Czesc II: zagraniczna: Materialy Naukowe/ - Gliwice-Ustron, 2009. - C. 273-284.

30. А.с.1712598 СССР, МКИ3 Е 21 с 27/24. Исполнительный орган горного комбайна / А.К. Семенченко, В.И. Игнатов, О.Е. Шабаев, В.И. Хомичук, И. А. Горобец (СССР) - № 4683932/03; заявл. 27.04.89; опубл. 15.10.91, Бюл. №6.

31. Пат. № 38105А України, МПК6 Е 21 С 27/24 Виконавчий орган прохідницького комбайна / А.К. Семенченко, О.Є. Шабаєв, Д.А. Семенченко, М.В. Хіценко, В.О. Мізін; заявник та патентовласник Донецький державний. техн. ун-т. - № 20000053062 заявл. 30.05.00; опубл. 15.05.01 Бюл. № 4.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві:

[1] - глава V, присвячена питанням структурно-параметричної оптимізації прохідницьких й очисних комбайнів; у роботах [2-29] автору належать постановка завдань і висновки; додатково варто вказати особистий внесок: [2, 3, 19, 22, 23, 25, 26] -обґрунтування необхідності й оцінка ефективності мехатронних виймальних машин; [5,7] -планування, реалізація, методика та аналіз результатів експерименту; [4, 5, 8-11, 13, 15-18, 29] - розробка ММ й аналіз результатів моделювання; [14, 28] - розробка принципів й алгоритмів інтелектуального керування; [12] - обґрунтування регресійних залежностей; [6] - ММ та метод синтезу мехатронної гірничої машини; [27] - обґрунтування структури виконавчого органу та методика експрес-оцінки структур за критерієм ресурсу; [18, 21] - системне зображення мехатронної машини; [30, 31] - ідея компонування органу з мінімальною консоллю, принцип обробки вибою.

АНОТАЦІЯ

Шабаєв О.Є. Наукові основи аналізу і синтезу гірничих машин як мехатронних систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.06 - Гірничі машини. ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», Донецьк, 2011.

В роботі дається нове вирішення актуальної науково-технічної проблеми, що полягає в розробці наукових основ аналізу і синтезу гірничих машин як мехатронних систем на основі інтелектуалізації системи керування робочими процесами.

На основі експериментальних досліджень показана низька ефективність використання потенційних можливостей прохідницького комбайна і обґрунтована необхідність реалізації його мехатронної конструкції. Розроблені структурна схема і математична модель робочих процесів гірничої машини як мехатронного об'єкта. Розроблено математичні моделі і методи вирішення завдань адаптивної оптимізації параметрів режиму руйнування і схеми обробки забою, перебору породи по контуру виробки і відпрацювання керуючих впливів для прохідницького комбайна, що дозволяє підвищити темп проходки в 1,4-2,5 рази і ресурс елементів конструкції не менше ніж у 2 рази. Розроблено математичну модель і метод синтезу гірничої машини як мехатронної системи. Результати роботи використані в промисловості при створенні і модернізації прохідницьких комбайнів.

Ключові слова: гірнича машина, мехатроніка, темп проходки, ресурс, адаптивна оптимізація, мехатронний модуль, синтез.

Шабаев О.Е. Научные основы анализа и синтеза горных машин как мехатронных систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.05.06 - Горные машины. ГВУЗ «Донецкий национальный технический университет», Донецк, 2011.

В работе дается новое решение актуальной научно-технической проблемы, заключающейся в разработке научных основ анализа и синтеза горных машин как мехатронных систем на основе интеллектуализации системы управления рабочими процессами, что позволяет обеспечить создание выемочных машин как мехатронных объектов нового технического уровня и повысить эффективности их использования.

Установлено, что для дальнейшей интенсификации очистных работ темпы проходки и ресурс проходческих комбайнов должны быть увеличены до 15-40 м/сут и 10-20 тыс. м³ (по крепким породам), что требует для комбайнов традиционной конструкции повышения мощности привода исполнительного органа и массы соответственно до величин порядка 1000 кВт и 300 т. Основной причиной прогнозируемого роста энерговооруженности и металлоемкости является низкое использование потенциальных возможностей проходческих комбайнов, обусловленное ручным способом управления, при котором не могут быть спрогнозированы оптимальные параметры разрушения забоя в пределах полного цикла его обработки ввиду психофизиологических возможностей и квалификации оператора. В результате в 2/3 циклов обработки забоя мощность привода исполнительного органа используется на 50-75%, а удельные энергозатраты разрушения в 3/4 циклов обработки забоя повышены в 2-3 раза. Вместе с тем, реализация мехатронной конструкции комбайна, обеспечивающей заданный темп проходки при более эффективном использовании машины позволит снизить требования к мощности привода исполнительного органа и массе комбайна на 40-60 % для всего диапазона применения комбайнов с резцовым рабочим инструментом. При характерных для существующих комбайнов параметрах применение мехатронного подхода позволит повысить месячный темп проходки от 14% до 60%.

Разработаны структурная схема и математическая модель рабочих процессов горной машины как мехатронного объекта, представляющие собой совокупность разработанных моделей мехатронных функционально-законченных элементов типа пространственно перемещающаяся масса, узлов взаимодействия, элементов силового привода с соответствующими регуляторами и энергораспределителями, а также подсистем интеллекта, информационной, и сенсорной. Математическая модель адекватно описывает установившиеся и переходные режимы функционирования машины с учетом структуры и параметров системы, пространственности, многомассовости машины и технологической схемы ее работы, а также изменений в пространстве и времени структуры этой системы под действием управляющих воздействий на машину.

Установлено, что эффективное управление процессом разрушения забоя мехатронным проходческим комбайном требует решения связанных задач адаптивной оптимизации параметров режима разрушения и схемы обработки забоя, перебора породы по контуру выработки и отработки управляющих воздействий. Выполнена декомпозиция указанных задач, что позволяет осуществлять их решение на этапе функционирования комбайна на основе частных математических моделей и алгоритмов оптимизации, для которых разработаны целевые функции оптимизации при двух возможных производственных ситуациях - необходимости обеспечения максимальных темпов проходки либо реализации требуемых темпов проходки при максимально возможном ресурсе комбайна. Адаптивная оптимизация параметров режима разрушения забоя для каждого реза и породного слоя должна осуществляться комплексно с учетом всего цикла обработки забоя, обеспечивать максимальную и равномерную загрузку привода по мощности в пределах цикла; более полное использование мощности приводного двигателя за цикл обработки забоя, более эффективный по энергозатратам режима разрушения забоя; максимальное использование устойчивого момента в каждом резе. При этом рациональный порядок подбора значений шага фрезерования, глубины зарубки, скоростей подачи и вращения режущего органа зависит от условий эксплуатации. Применение в системе интеллекта мехатронного проходческого комбайна установленных закономерностей адаптивной оптимизации параметров режима разрушения и схемы обработки забоя позволит по сравнению с ручным управлением в представительных условиях эксплуатации повысить темп проходки в 1,4-2,5 раза и ресурс элементов конструкции не менее чем в 2 раза. Впервые установлена возможность управления в процессе эксплуатации комбайна соотношением между темпом проходки выработки и ресурсом проходческого комбайна (с увеличением темпа ресурс падает).

Разработаны математическая модель и метод синтеза горной машины как мехатронной системы, позволяющие обосновать рациональную структуру, параметры и алгоритм управления на стадии ее проектирования, и алгоритм реализации адаптивной оптимизации рабочего процесса на стадии ее эксплуатации. Обоснованы структура и макроуровневые параметры мехатронного проходческого комбайна для повышенных темпов проходки. Полученные функциональные требования и структурные решения подтверждены патентами, соответствующие рекомендации по созданию проходческих комбайнов мехатронного класса частично использованы ГП «Донгипроуглемаш» и ЗАО «Горловский машиностроитель» при создании и модернизации комбайнов КПД и КПА, а также приняты к внедрению ПрАО «Донецксталь» - металлургический завод».

Ключевые слова: горная машина, мехатроника, темп проходки, ресурс, адаптивная оптимизация, мехатронный модуль, синтез.

O.Y. Shabaev. Scientific Foundation for Analysis and Synthesis of Mining Machines as Mechatronic Systems. - Manuscript.

The doctoral dissertation on the specialty 05.05.06 - Mining Machines. State Higher Education Institution “Donetsk National Technical University”, Donetsk, 2011.

A new solution of the topical scientific and technical problem consisting in the development of the scientific foundation for analysis and synthesis of mining machines as mechatronic systems on the basis of intellectualization of the working process control systems is given in the thesis.

Low efficiency of application of potential capabilities of the road-headers is proved by the experiments and the necessity to implement its mechatronic construction is substantiated. The structural scheme and mathematical model of the operational processes of the mining machine as the mechatronic object are developed. The mathematical models and methods of solving the tasks of adaptive optimization of the parameters of the break-up mode and schemes of the coal-face processing, sorting out of the rock along the mine working contour and perfection of the driving influence of the road-header are developed. This makes it possible to raise tunneling rate 1.4-2.5 times and the construction element resource not less than 2 times. The mathematical model and synthesis method of the mining machine as the mechatronic system are developed. The results of the work are applied to the industry while creating and modernizing the road-headers.

Key-words: mining machine, mechatronic, road-header, resource, adaptive optimization, mechatronic modulus, synthesis.

Размещено на Allbest.ru