Источник: Решение научно-технических проблем при создании и внедрении современного горно-шахтного оборудования. Сборник научных трудов ГП «Донгипроуглемаш» под общей редакцией кандидата технических наук В.В.Косарева, доктора технических наук Н.И.Стадника. Донецк: Астро, 2008 - 800с.:илл. - С. 133-139.

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Современная горная машина с высокими функционально-параметрическими характеристиками представляет собой совокупность тесным образом взаимосвязанных механических, гидравлических, электронных, электротехнических и информационных (компьютерных) компонент. Перед конструктором стоит задача объединения в одной системе подсистем различной физической природы, основанных на отличных принципах функционирования и проектирования, зачастую, конфликтующих между собой в части реализации своих потенциальных возможностей. Проектирование современного горно-шахтного оборудования с использованием традиционных подходов без учета этого обстоятельства может порождать ряд системных ошибок, не позволяющих получить сбалансированную машину с полной реализацией возможностей отдельных компонент. В настоящее время для решения указанной задачи во многих отраслях техники находит применение мехатронный подход при проектировании различных машин [1, 2, 3, 4].

Постановка задачи. Цель данной работы - развить принципы мехатроники применительно к угольному машиностроению, а также показать на примере привода подачи очистного комбайна использование этих принципов при решении практических задач.

Изложение материала и результаты. Опишем компоненты, составляющие мехатронный объект (МО), и определим возможные виды связей между ними, что позволит формализовать МО в виде структурных формул.

Механическая компонента (М) обеспечивает различные виды движения объекта в целом, или его составных частей. К М-компоненте относятся редукторы, различные преобразователи движения (зубчато-реечный механизм, кривошипно-шатунный механизм и т.п.), передаточные звенья (муфты и т.п.).

Электротехническая компонента (С_э) обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую. К С_э-компоненте относятся электродвигатели, электромагнитные муфты и тормоза, электромагниты и т.п.

Гидравлическая компонента (С_г) обеспечивает различные виды преобразований гидро- (пневмо) энергии. К С_г-компоненте относятся гидрораспределители, гидроцилиндры, гидромоторы, гидронасосы.

Как видно, С_э-компонента и С_г-компонента имеют одинаковую энергетическую природу, отличаются только средой, переносящей энергию, и могут называться обобщенно силовая компонента (С).

Электронная компонента (Э) обеспечивает формирование, передачу и обработку электрических сигналов. К Э-компоненте относятся электронные устройства, такие как микропроцессоры, преобразователи частоты и т.п.

Информационная компонента (И) обеспечивает формирование, хранение, передачу и обработку информационных сигналов. К И-компоненте относятся датчики, программное обеспечение.

Возможны следующие виды связей между компонентами.

Согласование (-) - связь, при которой каждая из компонент имеет собственные параметры, ограничения и конструктивное исполнение, причем параметры рассматриваемых компонент согласованы для достижения общей цели. Такой вид связи имеет место, например, в обычном типе привода, имеющем стандартные двигатель и редуктор. Конструкции двигателя и редуктора никак не зависят друг от друга, компоненты могут быть использованы по отдельности, но для совместной работы их параметры должны быть согласованы. Согласование достигается подбором определенных параметров, введением согласующих устройств (муфты, различные защиты и т.п.). Структурная формула такого привода М-С_э.

Соединение (+) - связь, накладывающая общие ограничения на компоненты и их параметры, каждая компонента имеет собственное конструктивное исполнение и при соединении для достижения поставленной цели образуется новая структурная единица, с собственными функциями и ограничениями. Примером такой связи могут служить практически все типы приводов очистных комбайнов, так как конструкция и параметры двигателей и редукторов жестко взаимосвязаны. Двигатель и редуктор, соединенные тем или иным образом, образуют корпусную подсистему машины, выполняющую дополнительную функцию: служит базой для других подсистем машины. Структурная формула для такого привода М+С_э.

Совмещение (•) - связь, при которой ограничения, параметры и конструктивное исполнение для компонент являются общими, компоненты составляют единое устройство и неразрывно связаны для достижения поставленной цели. В технике привода примером такой связи являются мотор-редукторы, структурная формула М•С_э.

В работе [2] мехатроника определяется как «область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями». Синергетическое объединение может быть реализовано двумя основными способами: функционально-структурная интеграция (далее ФС-интеграция) и структурно-конструктивная интеграция (далее СК-интеграция). ФС-интеграция приводит к замене связи «согласование» (-) связью «соединение» (+), СК-интеграция - к замене связи «соединение» (+) связью «совмещение» (•). Связь (-) означает отсутствие интеграции, поэтому в дальнейшем связи (+) и (•) будем называть интегрирующими. Объединение компонент подразумевает наличие собой связи между ними, интеграция - только интегрирующей.

Исходя из общего определения синергетики, с учетом выше изложенных определений можно предложить следующие формулировки.

Синергетическая интеграция - интеграция М, С, Э и И-компонент для достижения единой цели, при которой вновь образованная система приобретает качественно новые свойства, недостижимые отдельными компонентами, и адаптивно взаимодействует с окружающей средой.

Необходимое условие мехатронности - объединение М, С, Э и И-компонент в систему, однозначно взаимодействующую с окружающей средой (по [1], [3], [4] - мехатронизированные объекты).

Достаточное условие мехатронности - интеграция М, С, Э и И-компонент в систему, адаптивно взаимодействующую с окружающей средой, то есть, синергетическая интеграция.

Комбайн УКДЗОО с электрооборудованием немецкого производства в составе комплексов с крепью ДМ и конвейером КСД26В в сентябре 2003 г. был поставлен шахте «Павлоградская». В январе 2004 г. была начата эксплуатация комбайна УКДЗОО на шахте им. Н.И. Сташкова.

Таким образом, мехатронность объекта определяется составом компонент, который зависит от функционально-параметрических требований к нему, характером интеграции, видом взаимодействия с окружающей средой, а также его структурой:

- если в структурном уравнении отсутствует какая-либо из компонент, то объект нельзя считать ни мехатронным, ни мехатронизированным;

- если в структурном уравнении есть все компоненты, но хотя бы одна из них имеет связь вида согласование (-), то данный объект – мехатронизированный;

- если все связи в структурном уравнении интегрирующие, то объект мехатронный.

Поскольку общепринятая терминология мехатроники еще не сложилась, то для дальнейшего изложения необходимо определить ряд терминов, используя иерархию МО, предложенную в [3], применительно к очистному комплексу как мехатронной системе.

Коммуникационный модуль (далее КМ) предназначен для информационного взаимодействия различных объектов и преобразования интерфейсов. КМ может быть реализован программно, (как часть программного обеспечения, обеспечивающая обмен данными), программно-аппаратно (например, в виде устройства преобразования интерфейсов на базе контроллера), аппаратно (например, устройств, кодирующих данные на базе аналоговой техники).

Управляющий модуль (далее УМ) формирует, преобразует и передает информационные сигналы, необходимые для полного или частичного функционирования мехатронного объекта.

Ни КМ, ни УМ, как правило, не являются мехатронными объектами, и, зачастую, не имеют ни структурной, ни функциональной, ни конструктивной локализации. Данные термины вводятся для упрощения построения структурных схем, как объекта преобразования нтерфейсов и взаимодействия или формирования управляющего сигнала.

Мехатронный модуль (далее ММ) - унифицированный мехатронный объект первого уровня интеграции, предназначенный, как правило, для выполнения одной функции, реализации движения по одной координате. Мехатронный узел (далее МУ) - не унифицированный мехатронный модуль. Примером ММ, применительно к горным машинам, является, например, привод скребкового конвейера, состоящий из электродвигателя, трансмиссии, датчиков температуры и частоты вращения, одного или нескольких КМ или УМ, Примером МУ может служить привод подачи очистного комбайна, состоящий из электродвигателя, трансмиссии, датчиков скорости и направления движения, датчиков температуры, датчиков давления, тормозного устройства, одного или нескольких КМ.

Мехатронный агрегат (далее МА) - мехатронный объект второго уровня интеграции, состоящий из нескольких ММ или МУ, собственных КМ и УМ, не мехатронных объектов, например, собственных датчиков, предназначенный для выполнения различных функций во взаимодействии с внешней средой, реализации различных заданных законов движения. В этом смысле примером МА является секция механизированной крепи с электрогидроуправлением, состоящая из гидроцилиндров, электрогидроблока, УМ, датчиков, КМ. МА являются также очистные комбайны и скребковые конвейеры.

Мехатронная система (далее МС) - мехатронный объект третье-го уровня интеграции, состоящий из отдельных ММ, МУ, МА, не мехатронных объектов, собственных КМ и УМ, имеющих упорядоченные связи, функционирующее во времени и пространстве во взаимодействии с окружающей средой как единое целое, Очистной комплекс, состоящий из очистного комбайна (МАОК), забойного скребкового конвейера (МАЗК), секций механизированной крепи (МАСК), собственных КМ и УМ, обеспечивающей добычу угля из очистных забоев, является мехатронной системой (МСОК).

Интерфейс в мехатронике следует понимать шире его традиционного толкования, как системы связей с унифицированными сигналами для обмена информацией между устройствами. Интерфейс будем рассматривать, как взаимодействие МО друг с другом и МО со средой вообще. В этом смысле интерфейсы могут быть различной физической природы.

Преобразователь осуществляет изменение или преобразование взаимодействия и интерфейсов. Преобразователь может изменять значения взаимодействия одной физической природы, например, редуктор - механический преобразователь вращательного движения (далее ПВВ), либо, изменять природу взаимодействия, например, асинхронный двигатель - преобразователь электрической энергии во вращательное движение (далее ПЭВ), зубчато-реечный механизм - преобразователь вращательного движения в поступательное (далее ПВП).

Используя принятые определения, можно составить структурные формулы для машин очистного комплекса. При проектировании очистных комбайнов для тонких пластов изначально использовалась СК-интеграция. Необходимость в этом была вызвана жесткими требования к габаритам и компоновке комбайнов, при достаточно высокой реализуемой мощности, что делало невозможным подход, при котором отдельно проектируется редуктор, двигатель, затем при помощи различных узлов (рама, муфты и т.п.) они объединялись в привод. Узкозахватные очистные комбайны первого поколения имели электрический привод режущего органа и гидрообъемный привод подачи, ручное управление (комбайн К101 и др.). Структурная формула комбайнов этого поколения может быть записана как:

С_э+M+С_г

Уже на этом этапе очистные комбайны могли оснащаться и электронными компонентами (например, системой радиоуправления ЛИРА), причем практически на всех комбайнах были регуляторы различной физической природы и степени сложности (например, УРАН). Основной вид регулятора для очистного комбайна - это регулятор нагрузки и скорости, обеспечивающий максимальную производительность комбайна при заданной нагрузке. Структурная формула в этом случае:

С_э+M+С_г-Э

Комбайны следующего поколения (К10З и др.) имели лучшие функционально-параметрические характеристики (в первую очередь, снижение зольности при той же производительности), и состояли из привода резания, двух приводов подачи с электромагнитными муфтами, имели ручное управление. Структурная формула такого комбайна:

(С_э+M+С_г)+2(С_э+M)+Э

Дальнейшее развитие очистных комбайнов и повышение функционально-параметрических характеристик (в первую очередь, скорости подачи, определяющую производительность), потребовало применения электрического привода подачи с высоким моментом и большим диапазоном скоростей. Комбайны нового поколения (УКДЗОО) имеют частотно-регулируемый двухдвигательный привод подачи, два привода резания со встроенными гидронасосами, дистанционное и автоматизированное управление, структурная формула комбайна:

(2(С_э+M)+С_г)+И•Э)+2(С_э+M•С_г)+(С_э•С_г)+И•Э

Первый член уравнения описывает привод подачи, второй - привод резания, третий - гидросистему, четвертый - систему управления.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Исии Т., Симояма И., Иноуэ Х. и др. Мехатроника: Пер. с япон./ - М., Мир, 1988. - 318 с., ил.

2. Егоров О.Д., Подураев Ю.В. Конструирование мехатронных модулей: Учебник. Издание второе, исправленное и дополненное. - М.:Изд.«СТАНКИН», 2005. - 368с.:ил.

3. Шалобаев Е.В. К вопросу об оперделении мехатроники и иерархии мехатронных обхектов //Датчики и системы. 2001. - №7. - С. 64-67.

4. Горбатов П.А., Косарев В.В., Стадник Н.И. Концептуальная характеристика сложных горных машин как мехатронных систем //Научные труды ДонНТУ, выпуск 104-Донецк: ДонНТУ, 2005. - С. 53-61.

К началу страницы