Уголь для Украины является основным энергоносителем и важным сырь-ем для коксохимической промышленности. Промышленные запасы его сосре-доточены в основном в Донецком бассейне, в полого-наклонных пластах (80,6%), мощностью от 0,8 до 2,5 м. Подлежащим отработке угольным пластам Донбасса свойственны: многообразие и случайный характер изменения струк-туры, сопротивляемости разрушению угольных пачек и прослойков, характери-стик их вязкости и абразивности. Значительная часть шахтопластов отличается сложными строением и гипсометрией, высокими показателями сопротивляемо-сти резанию и вязкости. Повышение эффективности добычи угля в Украине возможно только на основе концентрации очистных работ и технического пе-ревооружения комплексно-механизированных забоев (КМЗ) [1].

Анализ современных мировых тенденций развития средств комплексной механизации очистных работ показывает существенное отставание по макро-уровневым показателям качества отечественных очистных комбайнов (ОК). Среди них - производительность, ресурс и наработка на отказ. Несмотря на от-дельные достижения в разработках новых прогрессивных конструкций ОК (ГШ200Б, ГШ500 и др.), актуальность проблемы создания очистных комбайнов с высокими уровнями производительности, безотказности и ресурса, обеспечивающими эффективность работы КМЗ, по прежнему высока [1,2]. В ближайшей перспективе необходимо обеспечить реализуемую скорость подачи комбайна на пластах средней мощности не менее 10 – 15 м/мин, а показатели надежности – на уровне лучших мировых образцов.

Работы по совершенствованию структуры и параметров ОК необходимо проводить методом структурно-параметрической оптимизации на базе матема-тических моделей (ММ), учитывающих энергетические и динамические взаи-модействия в замкнутой управляемой электрогидромеханической системе «за-бой-ОК-конвейер-сеть электроснабжения-система управления-оператор» (далее – система). Использование на этапе проектирования таких ММ, дает возможность оптимального проектирования в короткие сроки современных ОК для конкретных условий эксплуатации с учетом динамики взаимодействий в системе. До сих пор динамика рабочих процессов и взаимодействие силовых подсистем в системе учитывается на стадии проектирования по упрощенным методикам, не обеспечивающим достаточной точности решения задач динамики при всех сочетаниях входных величин. Научными сотрудниками ИГД им. Скочинского, ДонГТУ, МГИ, ТулПИ и др. созданы ММ динамики ОК и предложены методики их оптимального проектирования. Однако по ряду причин, в том числе из-за недостаточного уровня развития вычислительной техники, при разра-ботке ММ принимались допущения, при которых не в полной мере учитыва-лись необходимые характеристики и особенности системы. Поэтому разработка ММ, адекватных в главном создаваемым ОК нового технического уровня и ме-тодики выбора их оптимальных параметров на основе имитационного модели-рования является актуальной задачей.

При разработке ММ и методики необходимо учитывать следующие зада-чи, подлежащие решению в ходе исследования:

1. Обоснование и выбор энергетических и режимных параметров ОК, отвечающих условиям эксплуатации и мировым тенденциям.

2. Исследования влияния параметров ОК и внешней среды на форми-рование динамической нагруженности в силовых подсистемах ОК при типовых режимах работы.

3. Оптимизация структуры и параметров ОК, целью которой является повышение надежности объекта путем снижения динамичности процессов в силовых подсистемах ОК при высокой производительности.

Первую задачу можно решать с использованием установленных законо-мерностей разрушения углей выемочными машинами, а также метода эксперт-ных оценок с учетом уровня развития производства ОК и сопряженного обору-дования очистных комплексов в Украине. Две другие задачи требуют проведе-ния ряда модельных экспериментов, позволяющих выявить основные законо-мерности формирования динамической нагруженности ОК.

Вышеизложенное позволяет сформулировать требования к ММ для ими-тационного моделирования функционирования системы. ММ должна позволять исследовать процессы формирования нагрузок в системе при типовых режимах работы с учетом особенностей связей между подсистемами ОК и внешней сре-дой. При этом необходимо найти оптимальное соотношение между сложностью ММ и ее быстродействием, которое должно позволять решать задачу оптими-зации с заданной точностью в короткие сроки. С учетом этого была создана ММ ОК с двухдвигательным механически связанным электроприводом и цеп-ным тяговым органом. Такую структуру ОК можно считать перспективной, так как она позволяет полностью реализовать устойчивую мощность привода ком-байна и подходит для сложных горно-геологических условий залегания уголь-ных пластов Донбасса. ММ была разработана с помощью уравнений Лагранжа II рода. Немеханические взаимодействия рассматривались как механические неголономные связи. Структурная схема объекта исследования приведена на рис. 1. На рисунке использованы следующие обозначения: М – инерционный элемент; УВ – упруго-демпфирующая связь; ИО – исполнительный орган; Цш – цилиндрический шарнир; Ц – гидроцилиндр; Оп – опоры ОК; ГОп – эквива-лентная гидроопора ОК; ЭД – электродвигатель; Р – редуктор; ГН, ГМ – насос и гидромотор; a, b, c, d, e, f, g, h – управляющие воздействия.

Особенностями этой ММ являются:

1. Описание нелинейной динамической характеристики приводных электродвигателей в потокосцеплениях с учетом возможного разброса крити-ческих скольжений и параметров питающей сети [3].

2. Описание нелинейной характеристики трения лыж ОК о конвейер как функции скорости и ускорения ОК в направлении подачи [4] и характеристики гидровариатора.

3. Учет зазоров в механических соединениях.

4. Описание функционирования силовых подсистем ОК с учетом взаимосвязей, которые вносят существенный вклад в динамику стружкообразо-вания на исполнительных органах.

5. Возможность учета сложной структуры пласта.

Рисунок 1 - Структурная схема двухдвигательного очистного комбайна

ММ системы представляет собой систему неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка, описывающих движение и динамическое состояние исследуемой системы. При этом каждое s-е уравнение системы будет иметь вид:

где р - порядковый номер обобщенных координат и их производных; N - количество обобщенных координат (для комбайнов, структурная схема ко-торых аналогична ОК типа 1ГШ68, N=15) ;

Адекватность ММ реальному объекту оценивалась с привлечением экс-периментальных данных по комбайну 1ГШ68, полученных сотрудниками ка-федры "Горные машины" ДонГТУ под руководством проф. Гуляева В.Г. По программе статистической обработки случайных процессов, включая корреля-ционно-спектральный анализ, были обработаны реализации, полученные при моделировании и в ходе натурного эксперимента: скорость подачи комбайна, крутящие моменты на участках трансмиссии, скольжения двигателей. Кроме того, обработаны полученные моделированием реализации внешних моментов сил сопротивления на опережающем и отстающем шнеке при тех же условиях, что и в натурном эксперименте. На рисунках 2 и 3 приведены в качестве при-мера некоторые результаты обработки данных натурного эксперимента и ре-зультатов математического моделирования. На рис. 2 тонкой линией обозначе-на скорость подачи, а более толстой - крутящие моменты в трансмиссиях ис-полнительных органов. На рис. 3 тонкой линией обозначены некоторые стати-стические оценки результатов моделирования, а прерывистой толстой – натур-ного эксперимента.

Рисунок 2 – Крутящие моменты в трансмисии и скорость подачи ОК (а - по результатам моделирования, б – обработка осцилограммы)

Рисунок 3 – Нормированная автокорреляционная функция (а) и нормированная спектральная плотность крутящих моментов в трансмиссии опережающего шнека

Сравнительный анализ полученных графиков и параметров нормированных автокорреляционных функций и нормированных спектральных плотностей для большинства сравниваемых реализаций исследуемых процессов показал, что в частотной области ММ системы достаточно адекватна реальному объекту. По некоторым сравниваемым реализациям были выявлены расхождения по оценкам математических ожиданий и коэффициентам вариации, что определило необходимость калибровки ММ с целью повышения степени ее адекватности и на количественном уровне. В результате выполненной колибровки разра-ботанная ММ функционирования системы «ОК-забой» отвечает необходимым условиям адекватности реальному объекту и позволяет решать поставленные задачи методом имитационного моделирования.

Список источников

1. Гуляев В.Г. Тенденции и проблемы создания очистных комбайнов но-вого технического уровня для тяжелых условий эксплуатации // Труды все-мирного 16-го горного конгресса "Горная промышленность на пороге ХХI века", т.2, София, 1994, с.24-32.
2. Гуляев В.Г., Горбатов П.А., Потапов В.Г., Юргилевич В.А. Результаты промышленных испытаний и эксплуатации очистных комбайнов с виброза-щитными устройствами // Уголь Украины, 1988, №12, с.22-24.
3. Гуляев В.Г. Влияние показателей динамических свойств двухдвигательной системы привода угледобывающего комбайна на продолжительность пуска двигателей и их нагрев // Известия вузов. Горный журнал, 1976, №7, с.92-107.
4. Гуляев В.Г. Экспериментальное исследование формирования пусковых нагрузок в упругих звеньях системы двухдвигательного привода рабочих органов комбайна 1ГШ68 // Горная электромеханика и автоматика, 1977, вып.31, с.41-48.
5. Гуляев В.Г. О формировании максимальных пиковых нагрузок в системе двухдвигательного привода угледобывающего комбайна // Киев, Техника, Разработка месторождений полезных ископаемых, республ. научно-техн. сб., 1976, вып.44, с. 93-97.
6. Гуляев В.Г., Ла Ван Тыу. Особенности формирования нагрузок в системах привода исполнительных органов и механизма подачи двухдвигательных комбайнов // Киев, Техника, Разработка месторождений полезных иско-паемых, 1985, вып.70, с. 27-36.
7. Серов Л.А. Устройства управления и системы регулирования угледобывающих машин // М.: Недра, 1995, 167 с.: ил.