УДК 622.232

 

ВИРТУАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАГРУЗОК И СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ СИЛОВЫХ ПОДСИСТЕМ ВЫЕМОЧНЫХ КОМБАЙНОВ

 

Горбатов П.А., проф., д.т.н; Перинский М.В., студент

(Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина)

 

Для значительного сокращения сроков создания выемочных (очистных и проходческих) комбайнов и кардинального повышения их технического уровня, прежде всего по макроуровневым показателям надежности и производительности, необходимо дальнейшее развитие и расширение применения передовых методов оптимального проектирования. Следует подчеркнуть, что в современных САПР выемочных комбайнов, как и других сложных горных машин, важнейшей составной частью процессов проектирования и конструирования является виртуальное моделирование на основе эффективных компьютерных технологий и программных продуктов [1-3 и др.]. Практически на компьютере создается виртуальная модель изделия и еще до начала производства всесторонне исследуется его функционирование в рабочих условиях. Тем самым техническое изделие совершенствуется, повышается его качество, улучшаются технико-экономические показатели на основе «компьютерных испытаний». Замена дорогостоящих и длительных натурных экспериментов и испытаний выемочных комбайнов и других сложных горных машин на быстрое и эффективное компьютерное моделирование обеспечивает создание качественных и конкурентоспособных рассматриваемых технических изделий.

Конкретные методы виртуального моделирования, рассматриваемые в работе и применяемые в САПР выемочных комбайнов, представлены на рисунке. Здесь использованы следующие условные обозначения: ВК - выемочные комбайны; ММ – математические модели; МКЭ – метод конечных элементов.

Данные методы виртуального моделирования характеризуются следующими основными особенностями:

- базируются на методологии системного подхода к выемочным комбайнам как сложным техническим системам и на современных разработках в области теории работы и оптимального проектирования рассматриваемых объектов;

- включают в качестве составных частей пакет следующих взаимосвязанных материалов – оригинальные структурно-параметрические решения; исходные расчетные схемы и математические модели, обладающие достаточным уровнем корректности; алгоритмы и программные комплексы, а также соответствующие методики расчетов;

- обеспечивают прогнозирование нагрузок и оптимизацию динамико-энергетических показателей функционирования выемочных комбайнов путем многокритериального синтеза силовых элементов с рациональными структурами и параметрами.

 

Рисунок 1 – Основные этапы виртуального моделирования
выемочных комбайнов

Рассмотрим некоторые особенности этапов виртуального моделирования.

Прежде всего, следует подчеркнуть, что при имитационном моделировании рабочих процессов выемочных комбайнов вследствие ярко выраженного динамического характера разрушения горных массивов (со случайным распределением физико-механических свойств) внешние силовые воздействия и отклики силовых подсистем (в виде нагрузок, скоростей и т.д.) носят стохастический характер. Это обусловливает необходимость использования аппарата теории случайных процессов и соответствующего математического и программного обеспечения для определения статистик рассматриваемых процессов.

В работах д.т.н. Болотина В.В. [4 и др.] приведена зависимость для оценки характеристической долговечности элемента, подверженного воздействию напряжений, случайный процесс изменения которых является узкополосным, нормальным:

                         ,

где: N₀ – базовое число циклов;

r – предельная (по выносливости) амплитуда напряжений;

,  - среднеквадратические отклонения соответственно напряжений и скорости их изменения;

 - табулированная гамма-функция;

 - табулированная функция  - распределения Пирсона;

m – показатель кривой усталости.

Из этого выражения видно, что для повышения долговечности необходимо минимизировать  и , причем уменьшение  более эффективно, т. к. показатель m для применяемых материалов гораздо больше единицы. Отсюда следует, что в плане улучшения параметров надежности для оценки эффективности предлагаемых структурно-параметрических решений в качестве функций цели (или единичных критериев качества) целесообразно принимать, прежде всего, среднеквадратические отклонения или дисперсии нагрузок (например, крутящего момента на валах редуктора, электромагнитного момента двигателя, нагрузок в подсистеме подвески и перемещения исполнительного органа и др.).

В качестве ограничений при постановке задач структурно-параметрической оптимизации силовых подсистем выемочных комбайнов выступают:

-           параметрические ограничения, накладываемые на значения оптимизируемых параметров, исходя из возможности их конструктивно-технической реализации;

-           критериальные ограничения, соответствующие допустимым значениям для каждого из критериев качества;

-           в ряде случаев – функциональные ограничения, в качестве которых могут быть, например, использованы максимально допустимые по фактору формирования внешних связей дисперсии колебательных составляющих пространственных перемещений исполнительных органов.

Для большинства решаемых задач применительно к выемочным комбайнам в качестве примеров виртуального моделирования на основе 3D моделей и метода конечных элементов можно, прежде всего, отметить:

-                   CAD-систему автоматизированного проектирования Solid Works с возможностями трехмерного твердотельного проектирования и конструирования сборочных единиц и деталей, экспресс-анализа массово-инерционных характеристик узлов сложной конфигурации;

-              интегрированную в Solid Works систему инженерных расчетов Cosmos Works, которая позволяет на основе МКЭ устанавливать особенности формирования напряженно-деформированного состояния сложных пространственных конструкций (напряжений, деформаций, перемещений).

Этап планирования вычислительно эксперимента предусматривает определение исходных данных для моделирования, выбор анализируемых и оптимизируемых величин и параметров их реализаций, установление функций целей, ограничений и граничных условий, разработку плана эксперимента. При выборе исходных данных для компьютерного моделирования весьма важно установить представительные горно-геологические условия и режимные параметры работы выемочных машин (например, для очистных комбайнов – расчетную мощность пласта, его строение и сопротивляемость резанию слагающих пласт слоев, рабочую скорость подачи и др.).

 

Перечень ссылок

1. Горбатов П.А. Имитационное моделирование динамических процессов в очистных комбайнах, функционирующих в автономных системах «комбайн-массив-конвейер»//Разработка месторождений полезных ископаемых: Республ. межвед. научно-техн. сб. – Киев: Техника, 1991.- Вып.88. - с. 26-31.

2. Solid Works. Компьютерное моделирование в инженерной практике // А.А. Алямовский и др. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 800с.

3. Виртуальное моделирование и современные методы оценки прочности и ресурса горных машин / В.В. Косарев, Н.И. Стадник, В.А. Дейниченко, В.С. Воскресенский//Горное оборудование и электромеханика. – М.: Новые технологии, №5, 2006. – с. 12-16.

4. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. – М.: Машиностроение, 1984. – 312 с.