Введение к работе
Актуальность работы. Возрастающие требования горнопромышленных компаний по увеличению скорости проходки шахтных стволов, при безусловном обеспечении безопасных условий труда, обусловливают необходимость создания новых образцов горнопроходческой техники.
Российский и зарубежный опыт показывает, что высокие требования к скорости, надежности и экономичности могут быть достигнуты только применением полностью механизированной проходки стволов. Создание средств комплексной механизации производственных процессов проходки подразумевает использование механизированных и автоматизированных горных машин и их элементов. Автоматизация позволяет наиболее полно учитывать горнотехнические условия и эргономические требования, реализовывать рациональные режимы работы машин и оборудования, что способствует повышению их долговечности и надежности. Схемные решения для автоматизации рабочих органов стволопроходческой техники в настоящее время разработаны недостаточно, поэтому тема диссертационного исследования является актуальной.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическими планами Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (гос. контракт № 02.740.11.0319) и НИР 8.1374.2011, выполняемой в рамках государственного задания «Управление информационными процессами в робототехнических комплексах специального назначения».
Цель работы заключается в установлении закономерностей внешних и внутренних процессов в автоматизированном рабочем органе стволопроходческой машины для обоснования его рациональных конструктивных и схемных решений.
Идея работы заключается в том, что рациональные конструктивные и схемные решения для автоматизации рабочего органа стволопроходческой машины обеспечиваются путем введения в его структуру цифровой системы управления.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
рациональные режимы проходки определяются стабильностью угловой скорости вращения породоразрушающего барабана, а также постоянством продольной и поперечной подачи для данных физико-механических свойств породы независимо от текущего радиуса ствола;
стабилизация угловой скорости вращения барабана и его продольной и поперечной подачи осуществляется по трем каналам управления: угловой скоростью вращения рукояти, угловой скоростью вращения породоразрушающего барабана вокруг своей оси и величиной продольного перемещения поршня линейного гидропривода;
в автоматизированном рабочем органе на физическом уровне существуют перекрестные обратные связи между каналами управления, что требует введения ЭВМ в систему управления;
разработанные цифровой ПИД-регулятор, позволяющий минимизировать влияние перекрестных обратных связей в объекте за счет введения прямых перекрестных связей между каналами регулятора, методика выбора его параметров и алгоритм управления обеспечивают рациональные режимы эксплуатации рабочего органа стволопроходческой машины.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана аналитическая модель и математическое описание рабочего органа стволопроходческой машины как объекта управления, позволяющие обосновывать выбор конструктивных и схемных решений;
установлены зависимости линейной скорости точки разрушения породы от параметров гидросистемы;
разработан метод проектирования ПИД-регуляторов с перекрестными связями, позволяющий учитывать особенности структуры рабочего органа и режимы его работы.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
предложенные схемные решения автоматизированного рабочего органа стволопроходческой машины позволяют сократить сроки проектирования стволопроходческих комплексов с цифровыми системами управления;
разработанный метод управления рабочим органом позволяет создать семейство горных машин сходного назначения, обеспечивающих их работу в области рациональных параметров;
разработанный цифровой ПИД-регулятор с перекрестными связями позволяет стабилизировать угловую скорость вращения породоразрушающего барабана, его продольную и поперечную подачу;
разработанная методика настройки ПИД-регулятора позволяет использовать устройства данного типа для различных режимов работы стволопроходческих машин.
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы основные положения теоретической механики, теории машин и механизмов, деталей машин, теории объемных гидромашин и гидроприводов, теории автоматического регулирования, научный анализ и обобщение опыта эксплуатации проходческих комплексов, методы математического моделирования, численные методы решения дифференциальных уравнений.
Реализация результатов. Предложенные в диссертации методы реализованы автором в процессе выполнения НИОКР с ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод», что подтверждается актом внедрения результатов диссертационного исследования в производство.
Ряд теоретических положений внедрен в учебный процесс Тульского государственного университета на кафедре «Геотехнологии и строительство подземных сооружений» при подготовке инженеров по специальности «Горное дело».
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена корректностью постановки задачи, обоснованностью использованных теоретических зависимостей и принятых допущений, применением известных математических методов; подтверждается сравнительным анализом результатов, полученных теоретически, и результатов экспериментальных исследований, а также положительными результатами внедрения диссертационной работы в производство.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и получили одобрение на международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики и информатики» (г. Тула, 2009, 2011 гг.), на 5-ой магистерской научно-технической конференции (г. Тула, 2010 г.), на научно-практических конференциях профессорско-преподава-тельского состава Тульского государственного университета (г. Тула, 2011 – 2013 гг.), на 31-ой научной сессии НТО РЭС им. Попова (г. Тула, 2013 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей, из них 3 – в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 53 рисунка, 7 таблиц, список использованных источников и приложение с актом внедрения результатов диссертационного исследования в производство.
