А Бубліков - Автоматизація процесу управління видобувними комбайнами на основі моделювання роботи шнека - страница 1

Страницы:
1  2  3 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Бубліков Андрій Вікторович

УДК 681.5.013:622.232.72:004.942

АВТОМАТИЗАЦІЯ ПРОЦЕСУ УПРАВЛІННЯ ВИДОБУВНИМИ КОМБАЙНАМИ НА ОСНОВІ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ ШНЕКА

Спеціальність 05.13.07 - «Автоматизація процесів керування»

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизації та комп'ютерних систем Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Ткачов Віктор Васильович

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ),

завідувач кафедри автоматизації та комп'ютерних систем.

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор (Prof., Dr.-Ing.) Герхард Грулер

Ройтлінгенський університет техніки й економіки (Німеччина), проректор з наукової роботи.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Кочура Євген Віталійович

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ),

завідувач кафедри економічної кібернетики та інформаційних технологій;

доктор технічних наук, професор Положаєнко Сергій Анатолійович

Одеський національний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри комп'ютеризованих систем управління.

Захист дисертації відбудеться «_» _ 2010 р. о_годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 при Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий «_» _2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д08.080.07

кандидат технічних наук, доцент

О.О. Азюковський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Видобувний комбайн - основне устаткування комплексно-механізованого вибою, від якого значною мірою залежить ступінь використання устаткування всіх наступних технологічних циклів, економічні та виробничі показники шахтного підприємства. Видобувні комбайни призначені для руйнування вугільного масиву, транспортування та навантаження вугілля на забійний конвеєр.

Основні принципи автоматизації гірничих машин були сформульовані в першій половині 20-го століття із розрахунку максимального використання потужностей приводних двигунів. З того часу способам автоматизації режимів роботи машин гірничо-металургійного комплексу присвячено багато досліджень та публікацій, серед яких можна виділити роботи таких вчених, як М. І. Стаднік, В. О. Ульшин, Є. В. Кочура, Я. П. Гринберг та ін.

Теоретично обґрунтовані декілька способів автоматизації видобувних комбайнів, але на практиці використання здобув мінімальний варіант автоматизації, який передбачає підтримку споживаних електродвигунами приводів різання потужностей на заданому рівні за рахунок регулювання швидкості подачі при незмінній швидкості різання. Головним недоліком мінімального варіанту автоматизації є те, що в алгоритмі управління не враховується кількість електроенергії, що витрачається на видобуток вугілля. Для видобувних комбайнів на потужних шарах такий підхід виправданий тим, що в інтенсивних режимах роботи мають місце мінімальні питомі енерговитрати. Але на тонких шарах при збільшенні швидкості подачі комбайну заштибовка шнека настає до моменту максимального використання потужності електродвигуна приводу різання. Це призводить до того, що видобувні комбайни на тонких шарах при автоматичному управлінні працюють із заштибовкою шнека. При цьому збільшуються питомі енерговитрати через значний тиск вугілля на лопати при транспортуванні та навантаженні вугільної маси в об'ємно стислому стані. Погіршується сортність вугілля внаслідок додаткового здрібнювання шнеком, що негативно позначається на його собівартості.

Таким чином, наукова задача дисертаційної роботи полягає у створенні інтегральної моделі, яка описує процеси формування навантаження на шнеку та зусиль в приводі різання видобувного комбайну, розробці критерію заштибовки шнека і синтезі на його основі алгоритму автоматичного управління видобувним комбайном з позиції зниження питомих енерговитрат на видобуток вугілля. Задача є актуальною, оскільки її реалізація забезпечить підвищення енергетичної ефективності автоматичного управління видобувними комбайнами на тонких шарах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до тематичного плану Національного гірничого університету за   темою   НДР №0107U000379 «Енергозберігаюча системаелектропостачання рухомих споживачів з індуктивною передачею енергії».

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - зниження питомих енерговитрат видобувного комбайну шляхом створення і реалізації нового способу автоматизації режимів роботи видобувних комбайнів для тонких шарів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- створити інтегральну імітаційну модель декількох фізичних процесів, сполучених у просторі та у часі при роботі видобувного комбайна: різання вугілля зубками шнека, транспортування і навантаження вугілля шнеком малого діаметру, формування механічних моментів в редукторі приводу різання та перетворення енергії в асинхронному електродвигуні приводу різання;

- на основі створеної інтегральної моделі фізичних процесів в приводі різання виконати аналіз режимів роботи видобувних комбайнів на тонких шарах з погляду зниження їх питомих енерговитрат;

- розробити чисельні критерії заштибовки шнека та поломки зубка;

- встановити закономірності зміни у часі критеріїв заштибовки шнека та поломки зубка і за допомогою їх аналізу сформулювати умови настання заштибовки шнека та поломки зубка для системи автоматичного управління;

- на основі критерію заштибовки шнека розробити алгоритм автоматичного управління видобувним комбайном з позиції зниження питомих енерговитрат на видобуток вугілля;

- провести перевірку адекватності імітаційної моделі системи автоматичного управління видобувним комбайном до реальної системи і оцінити ефективність запропонованого способу автоматизації режимів роботи видобувних комбайнів для тонких шарів.

Об'єкт досліджень - процес руйнування вугільного масиву, транспортування і навантаження вугілля шнеками видобувних комбайнів для тонких шарів.

Предмет досліджень - система автоматичного управління режимами роботи видобувних комбайнів.

Методи дослідження. При створенні інтегральної імітаційної моделі фізичних процесів в приводі різання видобувного комбайна використовувалися методи теорій навантаження вугілля виконавчими органами видобувних комбайнів, різання вугілля, випадкових процесів та електромеханічного перетворювача. При розробці чисельних критеріїв заштибовки шнека та поломки зубка використовувалися методи теорій вірогідності і математичної статистики. При перевірці адекватності імітаційної моделі системи автоматичного управління видобувним комбайном до реальної системи використовувалися методи аналізу випадкових даних і теорії регресії.

Наукові положення, що виносяться на захист.

1. Ковзне середнє відношення потужностей, заміряних із зсувом у часі, змінюється випадковим чином у вузькому діапазоні значень при нормальній роботі шнека і виходить із даного діапазону при настанні заштибовки, щодозволяє контролювати об'єм циркулюючого вугілля в робочому просторі шнека і зменшити за рахунок цього питомі енерговитрати.

2. Збільшення приросту об'єму циркулюючого вугілля за оборот шнека призводить до зменшення за нелінійним законом відносного відхилення від середнього значення відношення потужностей, заміряних із зсувом у часі, що дозволяє визначити максимально припустимий крок збільшення швидкості подачі при пошуку її критичного значення з заштибовки шнека.

Наукові результати і їхня новизна.

1. Вперше проведене імітаційне моделювання декількох фізичних процесів, сполучених у просторі і у часі при роботі видобувного комбайну в режимі заштибовки шнека, яке дозволило отримати для даного режиму закономірності зміни у часі потужності, споживаної електродвигуном приводу різання. До цього моменту задача вдосконалення алгоритму управління комбайном за допомогою моделювання вирішувалась тільки для режиму нормального навантаження вугілля шнеком.

2. Робота видобувних комбайнів на тонких пологих шарах з мінімальними питомими енерговитратами можлива тільки в одному режимі - на грані заштибовки без циркулюючого вугілля в робочому просторі шнека. Критична швидкість подачі з заштибовки шнека не залежить від гірничо-геологічних властивостей шару, але чуттєва до змін конструктивних параметрів комбайну. Ці висновки дозволили визначити принцип побудови системи автоматичного управління комбайном з позиції зниження його питомих енерговитрат.

3. Руйнування вугілля шнеком з двома лопатами за допомогою одного зубка в лінії різання із використанням другого зубка для страхування дозволяє збільшити товщину стружки вугілля та зменшити питомі енерговитрати комбайна на 18,6%. Мінімальний коефіцієнт варіації конструктивної складової моменту опору на шнеку спостерігається при розміщенні зубків, що руйнують вугілля, та зубків, що страхують, на обох лопатах з чергуванням через один.

4. На початку заштибовки шнека на другій та четвертій чвертях періоду обороту шнека мають місце підвищені значення потужності, споживаної електродвигуном приводу різання. На основі даної закономірності за критерій заштибовки шнека запропоноване ковзне середнє відношення значень потужності, заміряних із зсувом у часі.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Запропонований алгоритм статистичної обробки потужності, споживаної електродвигуном приводу різання, що дозволяє визначати поломку зубка, може бути використаний при розробці засобів діагностування стану зубків в процесі роботи видобувного комбайну.

2. Розроблена методика визначення заштибовки шнека непрямим шляхом на основі статистичного аналізу потужності, споживаної електродвигуном приводу різання, рекомендована до впровадження в інституті Дондіпровуглемаш (м. Донецьк) при проектуванні систем автоматичного управління видобувними комбайнами нового покоління на тонких пологихшарах (№ реєстрації довідки про впровадження 01-524 від 24.12.2009 р.).

3. Розроблений алгоритм статистичної обробки потужності, споживаної електродвигуном приводу різання, що дозволяє визначати момент видалення циркулюючого вугілля із робочого простору виконавчого органу, рекомендований до впровадження в інституті Дондіпровуглемаш при проектуванні систем автоматичного управління видобувними комбайнами.

4. Запропонований алгоритм розрахунку заданого значення швидкості подачі, що дозволяє зменшити питомі енерговитрати на видобуток вугілля за рахунок запобігання заштибовки шнека, рекомендований до впровадження в інституті Дондіпровуглемаш при розробці програмного забезпечення для систем автоматичного управління видобувними комбайнами нового покоління на тонких пологих шарах.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати роботи отримані автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційних досліджень доповідалися, обговорювалися і дістали схвалення на кафедрі «Автоматизації і комп'ютерних систем» (АКС) Національного гірничого університету (витяг з протоколу № 5 засідання кафедри АКС від 19.11.2009 р.); на регіональному науковому семінарі Придніпровського наукового центру НАН України «Сучасні проблеми управління і моделювання складних систем» (витяг з протоколу № 9 засідання наукового семінару від 12.03.2010 р.).

Робота пройшла апробацію на наступних конференціях: Міжнародна науково-технічна конференція «Інтегровані системи управління в гірничо-металургійному комплексі» (м. Кривий Ріг, Криворізький технічний університет, квітень 2005 р.); Міжнародна науково-технічна конференція «Інтегровані системи управління в гірничо-металургійному комплексі» (м. Кривий Ріг, Криворізький технічний університет, квітень 2007 р.); VI Міжнародна науково-технічна конференція «Ефективність і якість електропостачання промислових підприємств» (м. Маріуполь, Приазовський державний технічний університет, травень 2008 р.); Міжнародна науково-технічна конференція «Автоматизація: проблеми, ідеї, рішення» (м. Севастополь, Севастопольський національний технічний університет, вересень

2008 р.).

Публікації. За результатами наукових досліджень опубліковані 10 друкованих робіт, зокрема 6 у фахових виданнях ВАК України і 4 в тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів і висновків, викладених на 216 сторінках машинописного тексту, ілюстрованого 70 рисунками. Робота містить 9 таблиць, список використаної літератури з 103 найменувань і 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, наведений зв'язок роботи з науковими програмами, планами,темами. Викладені новизна, практична цінність і відомості про апробацію одержаних результатів досліджень. Зазначений особистий внесок здобувача.

У першому розділі виконаний аналіз видобувних комбайнів для тонких пологих шарів як об'єктів автоматизації. В ході цього аналізу розглянуті особливості конструктивного виконання елементів системи автоматичного управління режимами роботи комбайна і описана послідовність технологічних операцій при видобутку вугілля за допомогою механізованого очисного комплексу. Дана характеристика навантаження на виконавчому органі видобувного комбайну при його взаємодії із вугільним масивом, як основного збурення при стабілізації потужності електродвигуна приводу різання.

В результаті огляду літературних джерел наведені відомі способи автоматизації режимів роботи видобувних комбайнів. Зазначено, що для сучасних видобувних комбайнів через електродвигун приводу різання, що є нерегульованим, актуальними є лише два способи - стабілізація швидкості подачі або стабілізація потужності, споживаної електродвигуном приводу різання. Аналіз цих способів дозволив зробити висновок, що жоден з них не забезпечує роботу видобувних комбайнів на тонких шарах із мінімальними питомими енерговитратами, оскільки не відбувається контроль за заштибовкою шнека системою автоматичного управління.

Оскільки у робочому просторі шнека неможливо встановити датчик заштибовки через агресивне зовнішнє середовище, запропоновано визначати заштибовку шнека при роботі комбайна в автоматичному режимі непрямим шляхом на основі статистичного аналізу потужності, споживаної електродвигуном приводу різання. В процесі обґрунтування рішення цього питання у розділі сформульовані мета і завдання дослідження.

У другому розділі розроблена імітаційна модель фізичних процесів, що мають місце в приводі різання при роботі видобувного комбайна. Імітаційна модель «очисний вибій - шнек малого діаметру - привод різання» отримана в результаті сполучення у просторі і у часі процесів різання вугілля зубками виконавчого органу, транспортування і навантаження відбитого вугілля шнеком малого діаметру, формування механічних моментів в редукторі привода різання та перетворення енергії в асинхронному електродвигуні приводу різання.

З ціллю імітування випадкових коливань навантаження на виконавчому органі з низькою частотою при різанні вугілля зубками за допомогою генератора випадкових чисел задається зміна у часі опірності вугілля різанню згідно із автокореляційною функцією:

RJ, ) = DA kA e' 1<r-,' + Ол (1 - kA) e'2t, (1)

де DA - дисперсія опірності вугілля різанню; а1,а2 - коефіцієнти згасання автокореляційної функції при зміні опірності вугілля різанню відповідно у напрямку руху видобувного комбайна та у напрямку швидкості різання; kA -коефіцієнт відношення дисперсій низькочастотних складових опірності вугілля різанню; Гп - швидкість подачі видобувного комбайну.

Значення параметрів автокореляційної функції (1) отримані в процесі статистичної обробки результатів замірів потужності електродвигуна привода різання в ході випробування комбайна УКД300 в реальних умовах на шахті «Павлоградська». Встановлено, що випадкові коливання опірності вугілля різанню підкорені нормальному закону розподілення з функцією щільності вірогідності:

1 (А, - A)2

раШ = h    D  e 2'da ,

л/2'P Da

де A - середнє значення опірності вугілля різанню.

Миттєві значення опірності вугілля різанню А1 використовуються для розрахунку миттєвих значень сил різання на зубках шнека (рис.1). При цьому застосовується методика розрахунку сил різання на зубках виконавчого органу, за базу якої прийнято експериментальне дослідження енергоємності процесу різання вугілля еталонним зубком в еталонному режимі. Вплив параметрів, які відрізняються від еталонних, враховується за допомогою відповідних поправочних коефіцієнтів.

0,35 bpi + 0,3 1

Zo.1 = 10' A1   b        B    1ї~ ' kmeK-1 '     1 ' К°т-1 ' Кз-1 'Кї'КФ' Кпр.г        ,f ), (2) p. 1 \  тек.і ' ' /

де Zo. 1 - сила різання на 1-ом зубці; /w 1, tp. 1 - відповідно товщина і ширина стружки вугілля, що знімається 1-им зубком; bpJ - розрахункова ширина ріжучої частини зубка; B - крихкість вугілля; Кот1 - коефіцієнт віджимання вугілля в зоні 1-го зубка; КзЛ - коефіцієнт оголення вибою для 1-го зубка; Ку - коефіцієнт впливу кінематичного кута різання на питому енергію різання; Кф - коефіцієнт форми передньої грані зубка; КрЛ - коефіцієнт впливу поворотного зубка на силу різання; 0 - кут нахилу зубка до осі подачі комбайна.

Миттєві значення конструктивної складової моменту опору на шнеку розраховуються за формулою:

Мк = 0,5-D-f (Zo1 + f (Y0KJ - Y0J)), 1 = 1

де D - діаметр шнека; Yo. 1, Yok. 1 - сила подачі на зубці відповідно без врахування і з врахуванням зміни заднього кута зубка; f - коефіцієнт опору різанню; Пр -кількість зубків, що одночасно знаходяться в контакті з вугільним масивом.

З ціллю імітування випадкових коливань навантаження на виконавчому органі з високою частотою при різанні вугілля зубками за допомогою генератора випадкових чисел задається зміна у часі моменту опору на шнеку згідно з автокореляційною функцією:

Re(t ) = DJZ0)-ea 3(Zo)t + De.2 (Zo)-ea 4(Zo)t-cos(b (Zo)-t ), (3)

де Dei, D6.2 - дисперсії високочастотної складової моменту опору на шнеку; а3,а4 - коефіцієнти згасання автокореляційної функції при зміні моменту опоруна шнеку; в - переважна частота коливань моменту опору на шнеку при різанні вугілля.

Параметри автокореляційної функції (3) змінюються в функції середньої сили різання на зубці Z0, яка розраховується за формулою (2) при середніх

значеннях товщини і ширини стружки вугілля, що знімається зубком.

Випадкові коливання моменту опору на шнеку з високою частотою при різанні вугілля підкорені гамма закону розподілення з функцією щільності вірогідності:

l (Zo)' (Zo)

рвел)

Мц (Zo)-1. е(Zo) Ме

th (Zo)-1 е~ tdt

де Мв - високочастотна складова моменту опору на шнеку при різанні вугілля; к,ц - відповідно параметри масштабу і форми гамма розподілення, які

змінюються в функції середньої сили різання на зубці Zo .

Для імітації зміни у часі моменту опору на шнеку при транспортуванні і навантаженні вугілля шнеком малого діаметру використані математичні рівняння, що дозволяють розраховувати середній нормальний тиск вугілля на поверхні шнека:

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

А Бубліков - Автоматизація процесу управління видобувними комбайнами на основі моделювання роботи шнека