RUS
UKR
ENG
ДонНТУ
Портал магистров ДонНТУ
Автореферат магистерской диссертации
Панаса Александра Васильевича
тема диссертации:
«Математическое моделирование процесса перемещение очистного комбайна с вынесенной системой перемещения»
Научный руководитель: профессор кафедры «Горные машины», д.т.н., Кондрахин Виталий Петрович
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами
Важной проблемой при создании и совершенствовании очистных комбайнов для добычи угля из тонких пластов является обоснованный выбор типа и параметров механизма перемещения. В настоящее время перспективными являются электрические механизмы перемещения двух типов: 1) вынесенный с цепным тяговым органом, 2) встроенный с цевочно-реечным тяговым органом.
Одним из недостатков существующих вынесенных систем перемещения является использование в качестве вариатора скорости электромагнитных муфт скольжения, обладающих малой надежностью, низким к.п.д. и требующих сложной системы управления. Эти недостатки могут быть устранены за счет использования для вынесенных систем перемещения частотно-регулируемого электропривода, что существенно повысит потенциальные возможности этого типа механизмов перемещения в его конкуренции со встроенными механизмами применительно к комбайнам для выемки тонких пластов.
Разработка вынесенного механизма перемещения с частотно-регулируемым приводом ставит перед конструкторами ряд задач, связанных с выбором рациональных параметров механизма, структуры и параметров системы управления и исходных данных для прочностного расчета. Наиболее эффективным способом решения этих задач является математическое моделирование рабочих процессов машин в установившихся и переходных режимах с использованием разработанных моделей, адекватных реальной системе [1].
Вынесенные и встроенные механизмы перемещения приняты институтом Донгипроуглемаш при создании комбайнов нового поколения для выемки тонких пологих пластов (соответственно, УКД200-250 и УКД300). Опыт эксплуатации этих комбайнов показывает, что оба типа механизмов перемещения могут обеспечивать эффективную работу машин в представительных горно-технических условиях, в том числе в лавах длиной 200-300м. В связи с этим возникает необходимость выполнить сравнительный анализ компоновочных схем комбайнов для выемки тонких пластов и определить рациональную область применения комбайнов с вынесенной и встроенной системами перемещения.
Анализ исследований и публикаций
Вопросам моделирования рабочих процессов и обоснования параметров очистных комбайнов, оснащенных механизмами перемещения с цепным и цевочно-реечным тяговым органом, посвящено большое количество работ, работы Бойко Н.Г., Гуляева В.Г., Жукова К.В., Кондрахина В.П. [4].
В указанных работах приведены математические модели процесса перемещения комбайна, учитывающие упруго-диссипативные свойства тягового органа, динамические характеристики привода перемещения (гидравлического или электрического), особенности формирования сопротивлений перемещению очистного комбайна.
В работах, посвященных вынесенным системам перемещения (ВСП) Бойко Н.Г., [9], тяговый орган рассматривается как невесомая упругая нить. Такое допущение является приемлемым при работе в коротких лавах, однако для лав длиной 300-350 м его правомерность вызывает сомнения, поскольку масса цепи становится соизмеримой с массой комбайна.
Постановка задачи
Целью работы является - повышение технического уровня отечественных очистных комбайнов для выемки тонких пологих пластов на основе выбора рациональных параметров системы перемещения и обоснования рациональных областей применения машин с вынесенной и встроенной частотно - регулируемыми механизмами перемещения
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1) Разработать математическую модель рабочих процессов очистного комбайна с вынесенной системой перемещения;
2) Выполнить моделирование переходных и установившихся режимов работы очистного комбайна типа УКД200-250 с ВСП;
3) Обосновать структуру и параметры механизма перемещения, требования к системе его управления и исходные данные для расчета на прочность;
4) Обосновать рациональную область применения очистных комбайнов для выемки тонких пластов с различными типами электрических механизмов перемещения.
Изложение материала и результаты
Математическое моделирование с помощью математических пакетов сводится к численному решению системы дифференциальных уравнений, которые описывают объект исследования, в результате чего получают кинематические и силовые характеристики механизма перемещения в переходных и установившихся режимах.
Математическая модель вынесенной системы перемещения очистного комбайна.
При разработке расчетной схемы ВСП были приняты следующие допущения:
тяговый орган представлен как линейный упруго-диссипативный элемент (с коэффициентами жесткости и демпфирования соответственно Cц , βц, работающей только на растяжение, масса цепи приведена к массе комбайна;
корпуса редукторов ВСП и оси тяговых звездочек закреплены абсолютно жестко.
Расчетная схема ВСП для общего случая приведена на рис.1.
Рисунок 1. - Динамическая схема ВСП для общего случая.
На схеме приняты следующие обозначения:
Мд – электромагнитны момент электродвигателя;
Jд – момент инерции ротора электродвигателя;
Jзв – момент инерции приводной звезды;
Ст – коэффициент жесткости редуктора привода ВСП;
βm - коэффициент демпфирования редуктора привода ВСП;
Сц – коэффициент жесткости цепного тягового органа;
βц - коэффициент демпфирования цепного тягового органа;
G – сила тяжести комбайна;
Fсопр – сила сопротивления движению массы M;
Fтр – сила трения;
В качестве обобщенных координат для математического описания системы приняты:
φдв - угол поворота ротора двигателя;
φзв - угол поворота приводной звездочки;
xк - перемещение массы М (перемещение комбайна).
Реакции опор и силы сопротивления в математической модели были представлены в виде функции изменяющейся во времени.
Данные полученные экспериментальным путем были разложены в ряд Фурье.
Рисунок 2. - Изменение сил сопротивления во времени
На рисунке:
Func(x) - изменение сил сопротивления на шнеке за один его оборот;
Ra(t) - Изменение сил сопротивления во времени.
Рисунок 3. - Изменение реакций опор комбайна во времени
На рисунке:
Func(x) - изменение реакций опор комбайна за один оборот шнека;
Ft(t) - изменение реакций опор комбайна во времени.
Для составления системы дифференциальных уравнений, описывающих движение механической системы ВСП, используем уравнения Лагранжа II рода.
Система дифференциальных уравнений, описывающая динамические процессы в ВСП, полученная на основе уравнений Лагранжа II рода, имеет вид:
где Rзв – средний радиус приводной звезды;
Для наглядности результатов моделирования, рассмотрим случай возникновения автоколебаний при движению комбайна на холостом ходу.
Для этого рассмотрим простейший случай, систему с одной степенью свободы.
Рисунок 4. - Упрощенная расчетная схема с одной степенью свободы
Дифференциальное уравнение имеет вид:
Полученное уравнение решается с помощью математического пакета используя функцию Rkadapt, которая решает систему дифференциальных уравнений методом Рунге – Кутта четвертого порядка с автоматическим выбором шага. Для решения системы будет нужен только вектор D – вектор правых частей системы уравнений.
Где х0 и х1 неизвестные функции перемещение и скорость комбайна соответственно.
Выражение 
описывает зависимость коэффициента трения от скорости комбайна.
Рисунок 5. - График зависимости коэффициента трения от скорости движения комбайна
Результат моделирования:
Рисунок 6. - Изменение скорости движения очистного комбайна при движении на холостом ходу
Сила тяги при этом изменяется следующим образом:
Рисунок 7. - Изменение силы тяги при движении комбайна на холостом ходу.
Где t1 и t2 - соответственно время движения и остановки комбайна.
T - период автоколебаний.
В зависимости от величины средней скорости время движения и время остановки изменяется. С увеличением средней скорости t1 увеличивается, а t2 уменьшается. Соответственно при уменьшении средней скорости t1 уменьшается, а t2 увеличивается.
Выводы и направление дальнейших исследований
Анализ научно-технической литературы по вопросу исследования механизмов перемещения очистных комбайнов показал, что существующие математические модели не в полной мере пригодны для корректного описания динамических процессов в элементах вынесенных систем перемещения с частотно-регулируемым приводом при их работе в длинных очистных забоях. В технической литературе также отсутствуют четкие количественные критерии, позволяющие выполнить сравнительный анализ встроенных и вынесенных систем перемещения и определить рациональные области их использования.
В связи с этим актуальной является задача разработки корректных математических моделей рабочих процессов очистного комбайна с вынесенной системой перемещения на основе частотно-регулируемого привода и использование этих моделей, а также разработанных критериев для обоснования структуры и параметров системы перемещения нового технического уровня.
Областью рационального применения комбайнов с ВСП являются тонкие пологие пласты (углы падения до 9°) спокойной гипсометрии залегания при отсутствии породных прослойков и присечки крепких пород кровли и почвы. В этом случае возможны эффективная работа комбайна в лавах длиной до 300 м и достижение показателей ресурса, сопоставимых с ресурсом комбайнов с бесцепной системы перемещения.
Разработанная математическая модель процесса функционирования очистного комбайна с вынесенной системой подачи учитывает все основные факторы, определяющие интенсивные рабочие режимы комбайна. Полученная модель является модельной основой для САПР очистных комбайнов с вынесенной системой перемещения и будет использована для оптимизации структуры и параметров механизмов перемещения и других подсистем машины.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Кондрахин В.П. докт. техн. наук., проф., Гуляев В.Г. докт. техн. наук., проф.(ДонНТУ), Головин В.Л. инженер, (ГП«Донгипроуглемаш») - «Имитационная математическая модель динамических процессов очистных комбайнов высокой энерговооруженности с вынесенной системой подачи»
2. Кондрахин В.П. докт. техн. наук., проф.,(ДонНТУ) - «Разработка математической модели электромеханической системы многодвигательного электропривода скребкового конвейера на базе двухскоростных асинхронных двигателей»
3. Кондрахин В.П. докт. техн. наук., проф.,(ДонНТУ) - «Расчетные схемы, упругие, инерционные и диссипативные характеристики привода конвейера при наличии и отсутствии торсионного вала и упругой муфты»
4. Кондрахин В.П. докт. техн. наук., проф.,(ДонНТУ) - «Математическая модель рабочих процессов вынесенной системы перемещения с частотно-регулируемым приводом»
с.
5. Оноприч В.П. - «Частотное регулирование скорости вращения асинхронных двигателей»
6. Горбатов П.А., Петрушкин Г.В., Лысенко Н.М. Горные машины и оборудование - В 2-х т. Т.1 - Донецк: РИА ДонНТУ, 2003. - 295 с.С 50 по 55стр.(фрагмент)
7. Кондрахин В.П. - «Cистемный подход к моделированию рабочих процессов породоразрушающих машин»
8. Малеев Г.В., Гуляев В.Г., Бойко Н.Г. и др. - «Основы динамики горных машин и комплексов« М.: Недра, 1988. — 368 с. С 150 по 155стр.
9. Бойко Н.Г. Математическая модель динамической системы перемещения очистных комбайнов с вынесенными механизмами подачи. Известия вузов. Горный журнал. -№3, 1983.- С.71-76
10. Бойко Н.Г. Динамика очистных комбайнов. – Донецьк: РВА ДонНТУ, 2004. – 206 с.
11. Кондрахин В.П., Гуляев В.Г., Головин В.Л. Имитационная математическая модель динамических процессов очистных комбайнов высокой энерговооруженности с вынесенной системой подачи. - Наукові праці Донецького національного технічного університету, вип.113 , Серія: гірничо-електромеханічна, Донецьк, 2006, с.123-130
12. Горбатов П.А. Имитационное моделирование динамических процессов в очистных комбайнах, функционирующих в автономных системах «комбайн – массив - конвейер» // Разработка месторождений полезных ископаемых: Респ. межвед. научно-техн. сб. – Киев: Технiка, 1991. – вып. 88. – С. 26 – 31.
© 2008 Panas Alexandr
© 2008 DonNTU
RUS
UKR
ENG
ДонНТУ
Портал магистров ДонНТУ