RUS
UKR
ENG
ДонНТУ
Портал магістрів ДонНТУ
Автореферат магістерської дисертації
Панаса Олександра Васильовича
тема дисертації:
«Математичне моделювання процесу переміщення очисного комбайна з винесеною системою подачі»
Науковий керівник: професор кафедри «Гірничі машини», д.т.н., Кондрахін Віталій Петрович
Проблема і її зв'язок з науковими і практичними задачами
Важливою проблемою при створенні й удосконалюванні очисних комбайнів для видобутку вугілля з тонких пластів є обґрунтований вибір типу і параметрів механізму подачі. В даний час перспективними є електричні механізми подачі двох типів: 1) винесений з ланцюговим тяговим органом, 2) вбудований з цевочно-рейковим тяговим органом.
Одним з недоліків існуючих винесених систем подачі є використання як варіатор швидкості електромагнітних муфт ковзання, що володіють малою надійністю, низьким к.п.д. і потребуючої складної системи керування. Ці недоліки можуть бути усунуті за рахунок використання для винесених систем подачі частотно-регульованого електропривода, що істотно підвищить потенційні можливості цього типу механізмів переміщення в його конкуренції з вбудованими механізмами стосовно до комбайнів для виїмки тонких пластів [1].
Розробка винесеного механізму подачі з частотно-регульованим приводом ставить перед конструкторами ряд задач, зв'язаних з вибором раціональних параметрів механізму, структури і параметрів системи керування і вихідних даних для розрахунку на міцність. Найбільш ефективним способом рішення цих задач є математичне моделювання робочих процесів машин у сталих і перехідних режимах з використанням розроблених моделей, адекватних реальній системі.
Винесені й вбудовані механізми подачі прийняті інститутом Дондіпровуглемаш при створенні комбайнів нового покоління для виїмки тонких пологих пластів (відповідно, УКД200-250 і УКД300). Досвід експлуатації цих комбайнів показує, що обидва типи механізмів подачі можуть забезпечувати ефективну роботу машин у представницьких гірничо-технічних умовах, у тому числі в лавах довжиною 200-300м. У зв'язку з цим виникає необхідність виконати порівняльний аналіз компонувальних схем комбайнів для виїмки тонких пластів і визначити раціональну область застосування комбайнів з винесеною та вбудованою системами подачі.
Аналіз досліджень і публікацій
Питанням моделювання робочих процесів і обґрунтування параметрів очисних комбайнів, оснащених механізмами подачі з ланцюговим і цевочно-рейковим тяговим органом, присвячена велика кількість робіт, роботи Бойко Н.Г., Гуляєва В.Г., Жукова К.В., Кондрахіна В.П. [4].
У зазначених роботах приведені математичні моделі процесу переміщення комбайна, що враховують пружньо-дисипативні властивості тягового органа, динамічні характеристики привода системи подачі (гідравлічної або електричного), особливості формування опорів переміщенню очисного комбайна.
У роботах, присвячених винесеним системам переміщення (ВСП) Бойко Н.Г., [9], тяговий орган розглядається як невагома пружня нитка. Таке допущення є прийнятним при роботі в коротких лавах, однак для лав довжиною 300-350 м його правомірність викликає сумніву, оскільки маса ланцюга стає порівнянної з масою комбайна.
Постановка задачі
Метою роботи є - підвищення технічного рівня вітчизняних очисних комбайнів для виїмки тонких пологих пластів на основі вибору раціональних параметрів системи подачі й обґрунтування раціональних областей застосування машин з винесеними й вбудованої частотне - регульованими механізмами подачі.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі:
1) Розробити математичну модель робочих процесів очисного комбайна з винесеною системою подачі;
2) Виконати моделювання перехідних і сталих режимів роботи очисного комбайна типу УКД200-250 з ВСП;
3) Обґрунтувати структуру і параметри механізму подачі, вимоги до системи його керування і вихідні дані для розрахунку на міцність;
4) Обґрунтувати раціональну область застосування очисних комбайнів для виїмки тонких шарів з різними типами електричних механізмів переміщення.
Виклад матеріалу і результати
Математичне моделювання за допомогою математичних пакетів зводиться до чисельного рішення системи диференціальних рівнянь, що описують об'єкт дослідження, у результаті чого одержують кінематичні і силові характеристики механізму подачі в перехідних і сталих режимах.
Математична модель винесеної системи переміщення очисного комбайна.
При розробці розрахункової схеми ВСП були прийняті наступні допущення:
тяговий орган представлений як лінійний пружньо-дисипативний елемент (з коефіцієнтами жорсткості та дисипації відповідно Cц , βц, що працює тільки на розтягання, маса ланцюга приведена до маси комбайна;
корпуса редукторів ВСП та вісі тягових зірочок закріплені абсолютно жорстко.
Розрахункова схема ВСП для загального випадку приведена на Рис.1
Рисунок 1. - Динамічна схема ВСП для загального випадку.
На схемі прийняті наступні позначення:
Мд – електромагнітний момент електродвигуна
Jд – момент інерції ротора електродвигуна;
Jзв – момент інерції приводної зірки;
Ст – коефіцієнт жорсткості редуктора привода ВСП;
βm - коефіцієнт демпфування редуктора привода ВСП;
Сц – коефіцієнт жорсткості ланцюгового тягового органа;
βц - коефіцієнт демпфування ланцюгового тягового органа;
G – сила ваги комбайна;
Fсопр – сила опору рухові маси M;
Fтр – сила тертя;
В якості узагальнених координат для математичного опису системи прийняті:
φдв - - кут повороту ротора двигуна;
φзв - кут повороту приводної зірочки;
xк - переміщення маси М (переміщення комбайна).
Сумарні реакції в опорах і сили опору в математичній моделі були представлені у виді функції які змінюються у часі.
Дані отримані експериментальним шляхом були розкладені в ряд Фур'є.
Рисунок 2. – Зміна сил опору в часі
На рисунку:
Func(x) - зміна сил опору на шнеку за один його оборот;
Ra(t) - зміна сил опору в часі.
Рисунок 3. - Зміна реакцій опор комбайна в часі
На рисунку:
Func(x) - зміна реакцій опор комбайна за один оборот шнека;
Ft(t) - зміна реакцій опор комбайна в часі.
Для складання системи диференціальних рівнянь, що описують рух механічної системи ВСП, використовуємо рівняння Лагранжа II роду.
Система диференційних рівнянь, що описують динамічні процеси у ВСП, отримана на основі рівнянь Лагранжа II роду, має вигляд:
где Rзв – середній радіус приводної зірки;
Для наочності результатів моделювання, розглянемо випадок виникнення автоколивань при руху комбайна без навантаження.
Для цього розглянемо найпростіший випадок, систему з одним ступенем свободи.
Рисунок 4. - Спрощена розрахункова схема з одним ступенем свободи.
Диференційне рівняння має вигляд:
Отримане рівняння вирішується за допомогою математичного пакета використовуючи функцію Rkadapt, що вирішує систему диференціальних рівнянь методом Рунге – Кутта четвертого порядку з автоматичним вибором кроку. Для рішення системи буде потрібний тільки вектор D – вектор правих частин системи рівнянь.
Где х0 и х1 невідомі функції переміщення і швидкість комбайна відповідно.
Вираз 
описує залежність коефіцієнта тертя від швидкості комбайна.
Рисунок 5. - Графік залежності коефіцієнта тертя від швидкості руху комбайна
Результат моделювання:
Рисунок 6. - Зміна швидкості руху очисного комбайна, що рухається без навантаження.
Сила тяги при цьому змінюється в такий спосіб:
Рисунок 7. - Зміна сили тяги комбайна, що рухається без навантаження.
де t1 и t2 - відповідно час руху і зупинки комбайна.
T - період автоколивань.
У залежності від величини середньої швидкості час руху і час зупинки змінюється. Зі збільшенням середньої швидкості t1 збільшується, а t2 зменшується. Відповідно при зменшенні середньої швидкості t1 зменшується, а t2 збільшується.
Висновки і напрямок подальших досліджень
Аналіз науково-технічної літератури по питанню дослідження механізмів подачі очисних комбайнів показав, що існуючі математичні моделі не повною мірою придатні для коректного опису динамічних процесів в елементах винесених систем подачі з частотно-регульованим приводом при їхній роботі в довгих очисних вибоях. У технічній літературі також відсутні чіткі кількісні критерії, що дозволяють виконати порівняльний аналіз вбудованих і винесених систем подачі і визначити раціональні області їхнього використання.
У зв'язку з цим актуальної є задача розробки коректних математичних моделей робочих процесів очисного комбайна з винесеною системою подачі на основі частотно-регульованого привода і використання цих моделей, а також розроблених критеріїв для обґрунтування структури і параметрів системи переміщення нового технічного рівня.
Областю раціонального застосування комбайнів із ВСП є тонкі пологі пласти (кути падіння до 9°) спокійної гіпсометрії залягання при відсутності породних прошаків і присічці міцних порід покрівлі і ґрунту. У цьому випадку можливі ефективна робота комбайна в лавах довжиною до 300 м і досягнення показників ресурсу, порівнянних з ресурсом комбайнів з без ланцюгової системи переміщення.
Розроблена математична модель процесу функціонування очисного комбайна з винесеною системою подачі враховує всі основні фактори, що визначають інтенсивні робітники режими комбайна. Отримана модель є модельною основою для САПР очисних комбайнів з винесеною системою подачі і буде використана для оптимізації структури і параметрів механізмів подачі та інших підсистем машини.
СПИСОК ПОСИЛАНЬ
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 магістрів ДонНТУ