При проектировании современных образцов авиационной и космической техники и в других передовых областях машиностроения широкое применение находят методы системного моделирования. Это научное направление связанно с изучением методологических и научных основ моделирования широкого класса системотехнических комплексов (сложных систем) как этапа их исследования и проектирования. Предметом рассматриваемого научного направления является изучение общих закономерностей выбора и обоснования модели системы, реализация на модели вычислительных экспериментов, обработка и интерпретация их результатов [1,2].

В области горного машиностроения указанные методы впервые использованы при создании математических моделей очистных комбайнов [3,4]. Ниже сделана попытка использования методов системотехники и системного моделирования для моделирования рабочих процессов широкого класса породоразрушающих машин. Породоразрушающие машины (ПРМ) – это класс горных машин, основным назначением которых является механическое разрушение горных пород и полезных ископаемых. Выделение ПРМ в качестве отдельной структурной единицы классификационной схемы горных машин представляется целесообразным, так как рабочие процессы этих машин имеют ряд общих признаков и особенностей.

По назначению ПРМ подразделяются на два подкласса: машины для отделения полезного ископаемого и породы от массива, к которому относятся различные выемочные и бурильные машины (подкласс 1) и машины для изменения крупности горных пород, к которым относятся различного типа дробилки, дезинтеграторы, мельницы (подкласс 2). ПРМ можно разделить на два типа: стационарные и нестационарные. К ПРМ нестационарного типа относятся машины подкласса 1, а также дробилки передвижных дробильно-перегрузочных комплексов, большинство типов шахтных дробилок, валковые дробилки очистных комбайнов, которые относятся к подклассу 2.

При всем разнообразии назначения и конструкций ПРМ их объединяет общий объект разрушения: полезные ископаемые и породы, процесс механического разрушения которых может рассматриваться как многофакторная, сложная система [5]. В различных породоразрушающих машинах реализуются в той или иной степени все известные разновидности механического разрушения: резание, раздавливание, раскалывание, удар и истирание. Для всех разновидностей способов разрушения пород характерны два фундаментальных признака: цикличность и стохастический характер. Эти признаки во многом определяют динамический характер испытываемых машинами нагрузок. Поэтому для всех ПРМ являются актуальными вопросы оптимизации их динамических свойств и снижения динамических нагрузок. В особой степени это относится к нестационарным ПРМ, для которых важную роль играют ограничения габаритных размеров.

Основными составляющими процесса разрушения горных пород ПРМ являются отделение породы от массива, сокращение крупности и удаление готового продукта из зоны разрушения. Для машин подкласса 1 характерны все три составляющие процесса разрушения, причем отделение от массива и сокращение крупности неразрывно связаны между собой. Для машин подкласса 2 первая составляющая процесса разрушения отсутствует. При удалении продукта также происходит сокращение его крупности, однако, этот фактор не является основным.

С энергетической точки зрения для всех ПРМ доминирующую роль играет процесс сокращения крупности. Так по данным ИГД им. А.А.Скочинского в процессе резания угля на его диспергирование идет до 96-98% общей энергии [6]. Это создает основу для разработки общих подходов к моделированию рабочих процессов ПРМ различных типов.

С точки зрения системного подхода ПРМ рассматривается как составной элемент системотехнического комплекса (СТК), структурная схема которого приведена на рисунке 1. Стрелками на схеме обозначены энергетические и информационные взаимодействия между составными элементами СТК.

Кроме собственно машины в СТК входят сеть энергоснабжения (СЭ) и объект разрушения (ОР). По цепочке СЭ – ПРМ – ОР происходит передача энергии для обеспечения основного технологического процесса функционирования комплекса. В общем случае имеет место взаимное влияние ПРМ и ОР, которое обусловливает формирование обратных связей по перемещениям и скоростям исполнительных органов [4]. Определенную роль играет также взаимовлияние ПРМ и СЭ, которое проявляется, например, в изменении напряжения сети при колебаниях нагрузки на электродвигатель ПРМ.

Объектом разрушения для ПРМ подкласса 1 является горный массив, для машин подкласса 2 – поток питания в виде совокупности кусков породы, поступающих из питателя. ОР характеризуется структурой и механическими свойствами. Для ПРМ подкласса 1 структура ОР определяется наличием, размером и расположением прослойков и включений, а для машин подкласса 2 – формой и размером кусков породы.

В состав СТК ПРМ входит человек-оператор (О), а также соответствующая система технического обслуживания и ремонта (ТО и Р), которые во многом определяют эффективность функционирования машины. В общем случае в состав СТК необходимо включать также смежные машины (СМ), взаимодействующие с ПРМ в процессе выполнения технологических операций, а также опорную базу (ОБ), на которой размещается машина. Например, для стационарной дробилки смежными машинами являются питатель и приемный конвейер, а опорной базой – строительные конструкции и фундамент, на котором закреплена машина. Для нестационарных машин опорная база представляет собой грунт с расположенными на нем элементами смежных машин (например, забойный конвейер для очистных комбайнов, металлоконструкции дробильно-перегрузочного комплекса, рельсовый путь для шахтной дробилки).

В соответствии с принципом иерархичности ПРМ в свою очередь представляет собой систему, состоящую из нескольких взаимодействующих подсистем. В общем случае структуру ПРМ можно представить в виде схемы, показанной на рисунке 2.

Подсистема исполнительных органов (ИО) состоит из одного или нескольких органов, на каждом из которых может быть расположено определенное количество рабочих инструментов (РИ). РИ могут быть представлены резцами и шарошками (выемочные машины), а также зубьями и билами (дробилки). Подсистема привода ИО (ПИО) включает в себя источник механической энергии (один или несколько двигателей того или иного типа) и трансмиссию, оснащенную в общем случае предохранительными устройствами от перегрузок. Подсистема подвески и перемещения исполнительных органов (ППО) включает в себя поворотные редукторы, рычаги, рукояти, гидравлические или винтовые устройства и упругие элементы для перемещения и удержания их в требуемом положении. Указанная подсистема в наиболее полном виде представлена в конструкциях горных комбайнов и двухвалковых дробилок.

Подсистема удаления продукта (УП) включает в себя устройства, обеспечивающие удаление продукта разрушения из рабочей зоны. Такими устройствами являются погрузочные органы горных комбайнов, винтовые штанги бурильных машин, специальные конвейеры у некоторых типов дробилок и т.д. Подсистема опирания и перемещения машины (ОПМ) для ПРМ нестационарного типа содержит устройства для регулирования положения корпуса машины и для ее перемещения в рабочем пространстве. Для стационарных машин подсистема ОПМ включает жесткие или амортизирующие опоры. В состав подсистемы управления (У) входят устройства, обеспечивающие ручное и (или) автоматическое управление выполнением технологических операций.

С точки зрения системотехники моделирование СТК следует начинать с формирования общесистемной модели, устанавливающей связь между векторами входных воздействий Х(t), выходных процессов Y(t) и вектором состояния S(t). Процесс функционирования системы описывается уравнением выхода (1) и уравнением состояния (2):

где Х-фрагмент входного воздействия, ограниченный моментами времени t0 и t1; Q - оператор выходов, который однозначно определяет выходной процесс в зависимости от входного воздействия и начального состояния; H – оператор перехода, устанавливающий однозначную зависимость состояния системы в любой момент времени из интервала [t0 ,t1] от начального состояния и фрагмента входного воздействия.

Важную роль в процессе синтеза модели СТК играет обоснование интервала времени моделирования. Его величина зависит от целей моделирования и во многом определяет конкретную трактовку таких общесистемных понятий, как входные и выходные воздействия и состояние. Минимальный интервал времени функционирования ПРМ может быть оценен величиной порядка 10-2–10-3с. Он определяется временем формирования максимальных пиковых нагрузок при экстренном стопорении исполнительного органа. Наибольший интервал времени равен ресурсу машины и имеет величину порядка 102–103ч. Для исследования функционирования системы в условиях большого разброса временных интервалов должны использоваться различные модели.

Применительно к моделированию ПРМ входным воздействием являются в общем случае заданные параметры ОР и СЭ, а также управляющие воздействия человека-оператора. В качестве выходных процессов рассматриваются производительность машины, гранулометрический состав продукта, а также нагрузки в силовых подсистемах, определяющие надежность ПРМ и энергоемкость процесса их функционирования. Компонентами вектора состояния ПРМ являются показатели износа рабочего инструмента, исполнительных органов и силовых подсистем, которые, как известно, существенно влияют на эффективность процесса функционирования. Применительно к ПРМ подкласса 2 параметрами состояния системы являются количество и гранулометрический состав материала в камерах дробления.

После определения компонентов общесистемной модели (1) и (2) с целью ее конкретизации следует рассмотреть СТК ПРМ с точки зрения таких системных свойств, как непрерывность, линейность, стационарность и стохастичность. В общем случае ПРМ должна рассматриваться как непрерывная, нелинейная, нестационарная, стохастическая система.

Непрерывность СТК во времени обусловлена невозможностью мгновенного изменения параметров состояния. Однако в ряде случаев с целью упрощения модели целесообразно ввести допущения о мгновенном изменении указанных параметров. Примером использования такого допущения является модель питания и модель процесса дробления двухвалковой зубчатой дробилки [7], в которых принято, что количество и крупность частиц в камере дробления изменяется дискретно в момент поступления куска породы из питателя, а также в моменты хрупкого разрушения этих кусков. Дискретное рассмотрение процесса во времени и пространстве целесообразно использовать также при моделировании процесса перемещения материала вдоль камеры дробления в дробилках циклического действия (например, гирационных, щековых, виброщековых и т.д.). При этом в качестве единицы отсчета времени рассматривается период гирации (или период колебаний).

Непрерывностью в пространстве динамических характеристик ПРМ в большинстве случаев можно пренебречь и рассматривать их как динамические системы с сосредоточенными параметрами. Правомерность этого допущения подтверждена многочисленными исследованиями динамики ПРМ [3, 4, 8].

Что касается свойства линейности, то в большинстве случаев СТК ПРМ необходимо рассматривать как нелинейную систему. Это обусловлено нелинейностью динамических характеристик как самой ПРМ, в состав которой входят нелинейные звенья (двигатель, предохранительные устройства, упругие муфты), так и нелинейным характером взаимодействий между ПРМ и ОР.

Нестационарность СТК ПРМ в общесистемном понимании проявляется в том, что характеристики процесса функционирования системы зависят от выбора временного фрагмента из общего периода его эксплуатации. Так с увеличением продолжительности эксплуатации увеличивается износ элементов машины, растут динамические нагрузки в ее узлах и снижаются показатели надежности. С другой стороны, при исследованиях ПРМ широко используется понятие стационарности с точки зрения теории случайных процессов. При этом случайные процессы в силовых подсистемах ПРМ в установившихся режимах работы рассматриваются как стационарные и эргодические. Существенную роль в функционировании ПРМ играют переходные режимы (пуск, стопорение и т.д.), а также их структурные изменения [8]. Особенно характерны для ПРМ режимы стопорения исполнительного органа при встрече с твердым включением или при попадании в камеру дробления не дробимого предмета.

Стохастичность исследуемой системы обусловлена случайным характером изменения механических свойств и структуры ОР (форма и размеры кусков породы, размеры и расположение прослойков и включений и т.д.), случайным изменением схем взаимодействия кусков материала с ИО ПРМ, случайной величиной степени затупления РИ.

Предложенное системное представление породоразрушающих машин в виде системотехнического комплекса позволяет с наиболее общих позиций подойти к проблеме моделирования их рабочих процессов и осознанно сформулировать допущения поэтапного упрощения моделей при решении конкретных научных и проектно-конструкторских задач.

Список использованной литературы

1. Основы моделирования сложных систем / Под ред. И.В. Кузьмина. – Киев: Вища школа, – 1981. – 359 с.

2. Николаев В.И., Брук В.М. Системотехника: методы и приложения. – Ленинград: Машиностроение, 1985. – 199с.

3. Гуляев В.Г. Научные основы оптимизации динамических свойств очистных комбайнов демпфирующими устройствами: Автореф. дис. ... докт.техн.наук. – Донецк, 1985.- 498 с.

4. Горбатов П.А. Теория функционирования и совершенствование очистных комбайнов как. нелинейных динамических систем: Автореф. дис. ... докт.техн.наук: в 2т.-Донецк, 1991. - 552 с.

5. Барон Л.И. Горно-технологическое породоведение. - М.: Наука, 1977. - 324 с.

6. Позин Е.З., Меламед В.З., Тон В.В. Разрушение углей выемочными машинами. – М.: Недра, 1984. - 286 с.

7. Кондрахин В.П., Потапов В.Г. Математическая модель процесса дробления породы в двухвалковой зубчатой дробилке // Известия вузов. горный журнал. - 1996. - №1. - С. 18-22.

8. Семенченко А.К. Научные основы многокритериального синтеза горных машин как пространственных многомассовых динамических систем переменной структуры: Автореф. дис. ... докт. техн. наук.- Донецк. - 1997. - 323 с.