РЕФЕРАТ
магистерской работы Хиценко Н.В.
Тема работы: "Синтез исполнительного органа проходческого комбайна"
Руководитель работы: д.т.н. проф. Семенченко А.К.
Термин "исполнительный орган" в теории горных машин имеет два толкования. Первое толкование определяет исполнительный орган как часть горной машины, которая непосредственно осуществляет разрушение горного массива; синоним этого термина в данном контексте - орган разрушения []. Разработано большое количество органов разрушения: шнеки, барабаны с горизонтальной и с вертикальной осью вращения, фрезы, цепные бары и прочие. Вопросы проектирования и конструирования, а также оптимизации органов разрушения детально проработаны в ходе многочисленных научных исследований []. Вторая трактовка термина "исполнительный орган" применяется к исполнительным органам проходческих комбайнов. Согласно этой трактовке исполнительный орган представляет собой совокупность органа разрушения, его привода и механизма перемещения и выполняет функцию отбойки горной массы с приданием профилю выработки заданной формы. Тема данной работы подразумевает именно такое толкование исполнительного органа.
Таким образом, с одной стороны, исполнительный орган представляет собой подсистему, входящую в систему "проходческий комбайн" ("проходческий комплекс"), куда в общем случае могут входить:
С другой стороны, подсистема исполнительного органа включает в себя ряд подсистем более низкого уровня:
Следовательно, синтез исполнительного органа включает в себя синтез этих трех подсистем. Относительно традиционных конструкций исполнительного органа - стреловидного и роторного типа - вопросы синтеза решены довольно успешно []. Следует заметить, что, остановившись на традиционных конструкциях в решении задач синтеза, мы можем получать орган с оптимальными параметрами, однако делать на этом основании вывод о том, что полученное решение наилучшее и наиболее полно отвечает требованиям нельзя. Объясняется это тем, что в решении задачи синтеза применялась только параметрическая оптимизация, тогда как применение структурной оптимизации было ограничено. Итак, напрашивается вывод, что синтез исполнительного органа представляет собой задачу структурно-параметрической оптимизации.
Наиболее ответственным моментом в задачах оптимизации является обоснование критериев качества и выбор целевой функции, особенно если речь идет об интегральной целевой функции, учитывающей несколько критериев качества пропорционально уровням их значимости. От обоснованности установления уровней значимости критериев напрямую зависят результаты синтеза. Выбор критериев качества осуществляется на базе требований, предъявляемых к исполнительному органу. Перечень основных требований может быть сформулирован следующим образом:
1) низкая металлоемкость;
2) высокая производительность;
3) возможность регулирования;
4) низкая стоимость поддержания горных выработок после проходки;
5) низкие удельные энергозатраты;
6) пространственная силовая уравновешенность;
7) обеспечение транспортабельности и заданного фрикционного состава продуктов разрушения;
8) высокий к.п.д;
9) возможность селективной выемки угля и породы при работе по смешанному забою;
10) высокие показатели надежности.
Указанный список сформирован на базе положений работ [], относительно новым является требование 4; действительно, исполнительный орган должен осуществлять обработку забоя так, чтобы горный массив после проходки в нем выработки имел как можно более благоприятное для длительного функционирования выработки упруго-деформированное состояние.
Проработка требований к исполнительным органам проходческих комбайнов позволяет сформулировать ряд критериев качества как с качественной, так и с количественной оценкой.
Критерием металлоемкости является масса исполнительного органа. Производительность можно оценить показателем технической производительности, на которую в свою очередь влияет длительность цикла обработки забоя исполнительным органом. Стоимость поддержания горных выработок зависит от их устойчивости, зависящей от таких показателей как степень нарушенности горного массива после проходки и точность обработки контура выработки []. Количественный критерий "удельные энергозатраты" характеризует энергоемкость процесса. Показатель транспортабельности - максимальная кусковатость горной массы.
Итак, состав критериев качества в общем случае:
1. Количественные критерии.
1.1. Масса исполнительного органа.
1.2. Техническая производительность.
1.3. Удельные энергозатраты.
1.4. Максимальная кусковатость горной массы.
1.5. Коэффициент полезного действия.
1.6. Вектор нагрузки на исполнительный орган.
1.7. Вероятность безотказной работы.
1.8. Ресурс до капитального ремонта.
2. Качественные критерии.
2.1. Возможность регулирования.
2.2. Степень нарушенности горного массива после проходки.
2.3. Точность обработки контура выработки.
2.4. Возможность селективной выемки.
2.5. Возможность регулирования.
Ввиду сложности синтезируемой системы имеет место векторная задача оптимизации, в вектор переменных проектирования входит большое количество элементов, переменной проектирования является также и структура системы. При решении таких задач формирование целевой функции весьма сложно, поэтому представляется рациональной декомпозиция задачи на два основных этапа:
На первом этапе какая-либо количественная оценка затруднительна, поэтому все количественные критерии качества преобразуются в качественные. Производится разработка возможных структурных схем исполнительного органа нетрадиционной конструкции. Анализируются разработанные и традиционные структуры на базе приведенного выше ряда критериев качества. На базе метода экспертных оценок устанавливаются уровни значимости критериев качества, составляется интегральная целевая функция и производится выбор оптимальной структуры исполнительного органа. При записи целевой функции качественные показатели преобразуются в качественные с количественной оценкой [].
Второй этап синтеза включает векторную параметрическую оптимизацию исполнительного органа оптимальной структуры. На этом этапе корректируется список критериев качества, производится количественная оценка некоторых критериев, запись целевой функции, устанавливаются ограничения на переменные проектирования и реализуется оптимизация.
На базе проведенных исследований формулируется методика синтеза.