При функционировании автономной системы «комбайн-забой» взаимодействия с забоем и меж-ду собою силовых подсистем комбайна: привода исполнительных органов (ПИО), подвески и регу-лирования исполнительных органов (ПРО), корпусной группы (ПКГ) и механизма перемещения (ПМП) обусловлены проявлением в замкнутой системе «внутренних» и «внешних» связей.

Динамические процессы в системе «комбайн-забой» могут быть полностью описаны системой дифференциальных уравнений, полученных на основе уравнений Лагранжа 2 рода в соответствии с принятыми обобщенными координатами. Особенностью рассматриваемой системы является нали-чие в ней как голономных, так и неголономных связей. Последние, как известно, накладывают ог-раничения на перемещения и скорости отдельных звеньев системы.

К неголономным связям можно отнести:

- механическую связь по перемещениям и скоростям режущих инструментов исполнительных органов с разрушаемым угольным массивом;

- электромагнитную связь ротора электродвигателя с полем статора;

- гидравлическую связь гидромотора с насосом в механизме подачи;

- упруго-фрикционную связь в опорно-направляющих устройствах очистного комбайна с конвейером.

В математической модели системы как реакции неголономных связей рассматриваются: реак-ции горного массива на исполнительный орган (вектор внешнего возмущения); электромагнитные крутящие моменты, приложенные к роторам электродвигателей от их статоров, крутящие моменты, приложенные к валам насоса и гидромотора; нелинейная сила трения в опорах комбайна на конвейер.

Внутренние связи определяются динамическими свойствами взаимодействующих подсистем и отражаются наличием в каждом j-м дифференциальном уравнении математической модели полной системы не только j-й обобщенной координаты, но и других обобщенных координат. Проявления внутренних связей отражаются структурой матрицы коэффициентов системы дифференциальных уравнений динамики комбайна, которая характеризует наличие или отсутствие между отдельными подсистемами инерционной, упругой и диссипативной связей.

Внешние связи через забой проявляются в воздействии на процесс стружкообразования и фор-мирование «внешней» нагрузки на исполнительных органах колебательных процессов во взаимо-действующих подсистемах комбайна. Таким образом, реакции забоя, определяющие совместно с динамическими свойствами силовых подсистем их нагруженность, в общем случае являются функ-циями обобщенных координат и их производных [1].

При разработке математических моделей для исследования динамики рабочих процессов гор-ных комбайнов в общем случае целесообразно учитывать взаимодействия силовых подсистем, обу-словленные как внутренними, так и внешними связями.

Необходимость и способ учета внешних связей определяются уровнем их значимости при ре-шении конкретных задач исследования. Поэтому важно располагать достоверными опытными дан-ными о динамических процессах в силовых подсистемах реального комбайна с учетом всех видов связей. Наличие таких данных и их анализ дают возможность выявить основные связи и обуслов-ленные ими закономерности взаимодействия силовых подсистем и формирования динамических нагрузок. Это, в свою очередь, позволяет обосновать степень упрощения математических моделей комбайна и «внешней» нагрузки, обеспечив при этом необходимый уровень их адекватности реаль-ной системе «комбайн-забой» применительно к решаемым задачам исследования.

Так, при достаточно стабильном положении исполнительных органов относительно забоя, горный комбайн может рассматриваться как изолированный объект, подверженный детерминированным и случайным возмущениям со стороны забоя [2,3].

Обработка и тестовая проверка осциллограмм динамических процессов в силовых подсистемах двухдвигательного комбайна 1ГШ68 показали, что при установившихся режимах работы изучаемые процессы можно считать случайными стационарными и применить к ним методы корреляционно-спектрального анализа [2].

Закономерности взаимодействия связанных силовых подсистем очистного комбайна раскрыва-ются наиболее полно с помощью совместных частотных и временных характеристик, определяемых попарно для случайных процессов на входе комбайна и выходе каждой из его силовых подсистем. Для этой же цели можно определять совместные характеристики выходных процессов – откликов, формирующихся в каждой из подсистем комбайна [2,4].

Согласно алгоритму [4], по программе «Совместные характеристики случайных процессов» для каждой пары процессов «вход»- «выход, а также «выход-выход» на ЭВМ определялись оценки сле-дующих совместных характеристик:

– нормированной взаимной корреляционной функции;

– синфазной составляющей взаимного спектра;

– квадратурной составляющей взаимного спектра;

- взаимного амплитудного спектра;

– взаимного фазового спектра;

- функции когерентности.

Взаимный спектр содержит два важных вида информации, характеризующей зависимости меж-ду процессами в линейных системах. Первый вид информации содержится в спектре когерентности, который является эффектной мерой корреляции двух процессов (х, у) на каждой из частот. Функция когерентности является мерой корреляции двух процессов, зависящей от частоты f. Поэтому с ее помощью выявляется взаимосвязь между процессами х, у в интересующем исследователя час-тотном диапазоне.

Если при всех значениях частоты , =1,0, то процессы полностью когерентны в данном частотном диапазоне, если =0, то процессы независимы в рассматриваемом диапазоне частот.

При работе комбайна 1ГШ68 в представительных условиях шахты «Октябрьская» ПО «Донецк-уголь» измерялись и анализировались следующие физические величины [2]:

- в СПИО (ПИО): Мп, Мл – крутящие моменты на валах привода правого и левого шнеков; p1, p2 – активные мощности на зажимах первого и второго приводных электродвигателей;

- в СПРО (ПРО): Рпп, Рпл – давление рабочей жидкости в поршневых полостях гидродомкратов подвески правого и левого шнеков;

- в СМП (ПМП): Мгм – крутящий момент на валу гидромотора механизма подачи (тяговое уси-лие);

- в СКГ (ПКГ): Vп – скорость перемещения корпуса комбайна.

Определение и анализ совместных статистических характеристик исследуемых процессов вы-полнены с учетом динамических свойств подсистем комбайна [2], их результаты представлены в таблице.

Из таблицы видно, что в спектрах динамических процессов в ПИО, ПРО, ПМП и ПКГ колебательные составляющие на частоте 1,8Гц характеризуются значениями функций когерентности близкими к 1. Это свидетельствует о существенной внешней связи между силовыми подсистемами комбайна с упругим тяговым органом на доминирующей частоте автоколебаний в системе «комбайн-забой». Значения фазового спектра для различных процессов в силовых подсистемах комбайна соответствуют физическим представлениям о закономерностях их формирования и временным сдвигам между экстремальными значениями низкочастотных (1-3Гц) составляющих на осциллограммах соответствующих процессов [2].

Взаимосвязь между динамическими процессами в ПИО и ПРО, а также в ПРО и ПКГ проявляется также на частотах около 6 Гц, а между ПИО и ПРО опережающего шнека – и на частоте около 13 Гц. Однако статистическая корреляция между указанными процессами на этих частотах значительно ниже, чем на частоте 1,8Гц. Как показал анализ частотных характеристик силовых подсистем, их взаимодействие на частотах выше 5 Гц обусловлено в основном проявлением внутренних связей. Это подтверждается также закономерностями формирования динамических процессов в си-ловых подсистемах комбайна при импульсном характере возмущений на исполнительном органе [2].

Анализ полученных функций когерентности и других статистических характеристик исследуемых процессов, а также результаты исследований динамических свойств силовых подсистем узко-захватных комбайнов 1ГШ68 с двухдвигательным приводом позволили сделать следующие выводы.

Для спектров динамических процессов во взаимодействующих силовых подсистемах очистных комбайнов рассматриваемого типа характерна высокая когерентность (?2=0,77-0,92) низкочастотных колебательных составляющих (1-3Гц).

Формирование последних обусловлено двумя причинами: 1) кинематическими возмущениями – колебаниями момента сил сопротивления на рабочих органах с частотой равной или кратной частоте их вращения; 2) автоколебаниями при движении комбайна с упругим тяговым органом и нели-нейной характеристикой трения в его опорах на конвейер.

Таблица. Характеристики взаимодействия между динамическими процессами и силовыми подсистемами комбайна

Высокая когерентность низкочастотных колебательных составляющих динамических процессов объясняется в основном проявлением внешних обратных связей в замкнутой системе «комбайн-забой» и позволяет в ряде случаев рассматривать низкочастотные колебания как детерминированные вынужденные. В этих случаях можно упростить математическую модель системы «комбайн-забой», считая ее в первом приближении линейной незамкнутой и приложив к исполнительным органам «внешние» возмущения с учетом детерминированных и случайных составляющих. Так, например можно принять, что модуль вектора внешнего возмущения изменяется в функции времени, причем имеет случайную составляющую с корреляционной функцией и детерминированную гармоническую составляющую с частотой wд=2wио (wио – угловая скорость шнека).

Высокочастотные (13-16Гц) составляющие спектра крутящего момента в редукторах ПИО носят характер случайных крутильных колебаний, характеризуются как узкополосный случайный процесс с корреляционной функцией вида и относительной дисперсией, рав-ной от 35 до 70% общей дисперсии процесса. Установлено, что частоты этих колебаний практиче-ски совпадают с собственными частотами механической части ПИО. Закономерности формирова-ния высокочастотных составляющих обусловлены наличием в спектре внешней нагрузки не только случайного процесса типа белого шума, но и колебательных составляющих тех же частот. В упру-гих системах механических трансмиссий с низким демпфированием (e=0,07=0,10) такие колебания можно рассматривать как крутильные автоколебания, возбуждаемые внешней нагрузкой и поддер-живаемые внутренним источником энергии (электродвигателя).

Статистическая корреляция между высокочастотными составляющими динамических процессов в рассматриваемых подсистемах характеризуется сравнительно низкими значениями функций коге-рентности. В то же время, узкополосные составляющие в ПРО с относительной дисперсией 0,3-0,4 обусловлены взаимодействием с ПИО в частотном диапазоне 9-13Гц, и с ПКГ – на частотах 4,5-7,0Гц. Взаимодействие указанных силовых подсистем - результат проявления между ними внутрен-них и внешних связей в отмеченных частотных диапазонах.

Основные закономерности и особенности взаимодействия силовых подсистем очистного ком-байна типа 1ГШ68 установлены впервые на базе комплексных экспериментально-статистических исследований. Их можно распространить и на другие очистные комбайны с цепным тяговым орга-ном при разработке их математических моделей для исследования и оптимизации динамических свойств проектируемых машин с целью повышения их технического уровня.

Если колебательные процессы в системе «комбайн-забой» оказывают существенное влияние на процесс стружкообразования, то систему необходимо рассматривать как автономную. В этих случа-ях технологические взаимодействия на комбайн формируются как внутренние силы в зависимости от перемещений и скоростей движения исполнительных органов. Кроме того, в таких случаях при разработке математических моделей системы «комбайн-забой» необходимо учитывать главные не-линейности, а также особенности компоновочных и структурно-функциональных схем современ-ных комбайнов [1,3,6].

Разработка и реализация математических моделей, адекватных в главном реальным объектам, позволяет на стадии проектировании решать методами имитационного моделирования задачи прогнозирования динамической нагруженности силовых подсистем и оптимизации очистных комбайнов для повышения их производительности и надежности при интенсивных режимах работы в за-данных условиях эксплуатации [6].

Список источников

1. Гуляев В.Г., Жуков К.В. Метод формирования математической модели функционирования системы «очистной комбайн – забой». Збірник наукових праць НІІГМ ім. М.М. Федорова, 2003. Вип.96 – С.179-186.
2. Гуляев В.Г. Исследование горных комбайнов на базе системного подхода. Сб.: Разработка ме-сторождений полезных ископаемых, К.: Техника – 1983. вып.64. – С.3-15.
3. Гуляев В.Г., Горбатов П.А. Методология многофакторных натурных и вычислительных экспе-риментальных исследований сложных горных машин. Технология и механизация горных ра-бот. –М.: Академия горных наук, Тульский государственный университет. – 1998.– С.215-221.
4. Бендат Дж., Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа. – М.: Мир, – 1983. –312 с.
5. Гуляев В.Г., Жуков К.В. Математическая модель для имитационного моделирования функцио-нирования системы «очистной комбайн-забой» // Горный информационно-аналитический бюл-летень – М.: МГГУ, – 2000, №4. – С.129-132.
6. Гуляев В.Г., Жуков К.В. Результаты прогнозирования эксплуатационных и динамических ха-рактеристик очистного комбайна с высоким уровнем энерговооруженности//Вибрации в тех-нике и технологиях,2001, №3(19).-С.32-34.