(1)Удк 622.232.72
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА П110
Канд. техн. наук О.Е.Шабаев, докт.техн.наук А.К.Семенченко (ДонГТУ), инженеры В.Л.Витковский, Э.В.Продедович
Важным звеном в технологической цепи горнодобывающих предприятий является проведение подготовительных выработок, от темпов и качества которого существенно зависит эффективная работа всего добывающего комплекса. Вместе с тем, как отмечают специалисты, за последние годы на горнопроходческих работах происходит снижение основных технико-экономических показателей использования проходческих комбайнов (ПК). Это объясняется, частично, недостаточной надежностью эксплуатируемых машин. Изыскание путей дальнейшего повышения технического уровня проходческих комбайнов требует разработки их математических моделей адекватно описывающих рабочие процессы, протекающих в системе “машина – горный массив”
и позволяющих продолжить углубленные теоретические исследования с использованием ЭВМ. С целью обеспечения возможности машинного составления математической модели в основу ее создания положен принцип формализации рабочих процессов горных машин (ГМ) как пространственных многомассовых динамических систем переменной структуры (1).Структурная схема ПК П110, положенная в основу разработки математической модели (ММ) для моделирования рабочих процессов ПК, приведена на рис.1, а. Машина представлена шестью пространственно перемещающимися массами (М1 – исполнительный орган (ИО) и его привод, М2 – стрела, М3 – поворотная платформа, М4 – питатель, М5 – корпус, М6 – перегружатель), соединенными между собой и внешней средой узлами взаимодействия трех типов: узлы связи, узлы внутреннего и внешнего возмущения.
К узлам связи на рис. 1, а относятся: упоры обеспечивающие направленное выдвижение ИО и его привода относительно стрелы (УП1, УП2), шарнирные соединения подвески стрелы к поворотной платформе (СШ1, СШ2), поворотной платформы к корпусу (СШ3, СШ4), питателя к корпусу (СШ5,СШ6), перегружателя к корпусу (СШ7, СШ8).
Узлами внутренних возмущений (рис. 1, а) являются: гидроцилиндры поворота стрелы (Ц0, Ц1), выдвижения ИО (Ц2, Ц3), подъема стрелы (Ц4, Ц5), поворота питателя (Ц6, Ц7), поворота перегружателя (Ц9, Ц8).
Взаимодействие ПК с внешней средой реализовано узлами внешних возмущений (рис. 1, а), описывающих процесс взаимодействия резцового исполнительного органа с горным массивом (К1 – К2) и опор ПК (питатель и аутригеры) с почвой горной выработки (ОП1 – ОП5).
На рис. 1, б приведена структурная схема гидропривода ПК П110, которая обеспечивает реализацию режимов выдвижения ИО, поворота и подъема стрелы, поворота питателя и перегружателя путем подачи рабочей жидкости в соответствующие полости гидроцилиндров (Ц0 – Ц9). На схеме приведены основные ФЗЭ гидропривода: насосы (Н1, Н2), обратный (Ок) и предохранительные (Пк1, Пк2) клапаны, распределители управления работой гидроцилиндров (Р0 – Р7), дроссель (Др), а также трубопроводы и их соединения.
На рис. 1, в представлена структурная схема привода ИО ПК П110. На схеме приведены основные ФЗЭ трансмиссии: приводные электродвигатели (Д1, Д2), упругие валы (В1 – В4), редукторы (Р1, Р2), а также вращающиеся массы коронок ИО (М1, М2) и элементов редукторов (М3).
С учетом этого математическая модель для исследования рабочих процессов проходческого комбайна П110 как пространственной многомассовой динамической системы переменной структуры запишется в виде совокупности математических моделей ФЗЭ, входящих в систему “машина – внешняя среда” (1).
а)
б)
в)
Рис. 1
Структурные схемы: а – ПК П110; б – гидропривода; в – трансмиссии привода исполнительного органа (1)
где
i – число ФЗЭ типа пространственно перемещающейся массы; j– число ФЗЭ типа узел взаимодействия масс; 1– число ФЗЭ трансмиссии; k– число ФЗЭ гидропривода.
Рис. 2
Изменения горизонтальной FX и вертикальной FZ реакций в пальце крепления стрелы рабочего органа проходческого комбайна П110 к его поворотной раме и давления Р в гидроприводе при маневрировании исполнительным органомВ свою очередь математическая модель рабочих процессов комбайна как ФЗЭ, составными частями которого являются вышеперечисленные ФЗЭ, может быть представлена в виде:
(2)
где (
) –
входной вектор, задающий условия использования комбайна, диаграмму работы в
пределах полного цикла его функционирования; компонентами данного вектора
являются структура и параметры внешней среды (
), управляющие воздействия на гидропривод
и трансмиссию 
в функции времени, а также
начальное состояние системы “машина – внешняя среда” 
) – вектор
структуры и параметров комбайна, компонентами которого являются векторы структур
конструкции 
, трансмиссии
и его гидропривода 
, а также векторы параметров
элементов конструкции 
,
трансмиссии 
и его
гидропривода 
;
(
) – выходной вектор исходных данных для расчета комбайна
на прочность, выносливость, оптимизации его структуры и параметров, а также
оценки устойчивости, компонентами которого являются векторы: текущего состояния
системы “машина – внешняя среда” 
, нагрузок 
,
приложенных к узлам взаимодействия масс (исходные данные для расчета
металлоконструкций комбайна на прочность, например, МКЭ), крутящих моментов 
и угловых скоростей 
элементов трансмиссии (исходные
данные для расчетов элементов трансмиссии на прочность и выносливость по
известным методикам), давлений 
и расходов 
в
элементах гидропривода (исходные данные для расчетов и выбора элементов
гидропривода).
Математическая модель рабочих процессов комбайна, реализованная в виде вектор функции (2), описывает установившиеся и переходные режимы функционирования ПК с учетом структуры и параметров системы, пространственности, многомассовости комбайна и технологической схемы его работы, а также изменений в пространстве и времени структуры этой системы под действием управляющих воздействий на машину и пространственности ее конструкции.
Разработанная математическая модель (1) была реализована на базе специального программного обеспечения определения параметров и расчета горных машин как пространственных многомассовых динамических систем (2).
В качестве примера, на рис. 2 приведены полученные в результате моделирования фрагменты изменений составляющих реакций в пальце крепления стрелы рабочего органа к поворотной раме, а также давление в гидроприводе исполнительного органа.
Таким образом, разработанная математическая модель позволяет описать динамические процессы функционирования ПК как пространственной многомассовой динамической системы переменной структуры “машина – внешняя среда” и может быть использована для получения исходных данных при расчетах комбайна, а также при их анализе и многокритериальном синтезе этой машины (3) с целью выявления направлений дальнейшего повышения технического уровня и сокращения сроков ее модернизации.
Библиографический список
1.
Семенченко А.К. Формализация рабочих процессов горных машин как пространственных многомассовых динамических систем переменной структуры / Известия Донецкого горного ин-та –1997. – N1. – С. 56–60.2.
Разработка научных основ определения параметров и расчета горных машин как пространственных динамических многомассовых систем. (Этап 1992 г.): Отчет. / В.Г. Гуляев, А.К. Семенченко. N гос. регистрации 0190000037454. – Донецк. – 130 с.3.
Семенченко А.К. Многокритериальный синтез горных машин / Известия Донецкого горного ин-та –1997. – N1. – С. 56–60.г
О.Е.Шабаев, А.К.Семенченко, В.Л.Витковский, Э.В.Продедович, 1998