Введение к работе
Актуальность темы. В условиях развития добывающей промышленности происходит освоение новых месторождений и совершенствование техники и технологий горных работ. На открытых горных разработках особое место заниматот процессы бурения взрывных скважин. Удельный вес буровых работ в общей себестоимости добычи полезных ископаемых составляет более 30% . В связи с этим повышение технологических и эксплуатационных характеристик буровых станков имеет особое значение для развития добывающей промышленности.
Современный буровой станок - сложная высокопроизводительная машина, содержащая множество различных механизмов с электроприводами разных типов. Эффективность функционирования станка определяется уровнем его автоматизации, как в целом, так и его отдельных подсистем. Таким образом, при существующей технологии бурения взрывных скважин основным направлением повышения производительности и эффективности работы буровых станков является совершенствование систем приводов и технических средств управления.
Широкие возможности решения этой задачи открываются в настоящее время в связи с новыми достижениями силовой преобразовательной техники, микроэлектроники и информационных технологий. Переход к технике управления буровым станком нового поколения характеризуется функциональным и конструктивным объединением электромеханических преобразователей с энергетическими и информационными компонентами с высоким уровнем организации процессов управления. Это позволяет рассматривать технологические агрегаты бурового станка как мехатронные модули, объединенные в сложный мехатронный комплекс. Такой буровой станок приобретает свойства робота или подвижной горной машины с гиб-копрограммирусмыми средствами автоматики, обеспечивающими выбор эффективного решения в изменяющейся обстановке. Использование для управления буровым станком технических средств с качественно новыми характеристиками обусловливает актуальность новых теоретических и прикладных задач совершенствования систем управления буровыми станками.
Анализ отечественных и зарубежных литературных источников и патентной документации свидетельствует о том, что в настоящее время отсутствуют как методы анализа и синтеза мехатронных систем буровых станков, так и адекватные современному уровню развития электронной техники управления элементы и устройств» автоматики.
3Sgj
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СНетеї OS
Таким образом, существует противоречие между практической потребностью повышения производительности и качества работы буровых станков, с одной стороны, и ограниченными возможностями современных методов исследования и проектирования мехатронных систем и их элементов для буровых станков, с другой стороны.
Цель и задача работы. Цель работы - повышение эффективности работы мехатронных комплексов буровых станков на основе использования новых алгоритмов и технических средств управления. Для достижения указанной цели сформулирована научная задача: провести исследование процессов в мехатронных системах технологических агрегатов буровых станков и разработать методики проектирования, алгоритмы и технические средства автоматического управления, обеспечивающие повышение производительности и эффективности использования бурового оборудования.
Решение этой научной задачи предполагает:
-
Составление и исследование моделей основных электромеханических агрегатов станка (вращателя, подачи, хода, лебедки, компрессора), учитывающих технологические особенности процессов бурения и перемещения станка и ориентированных на синтез микроконтроллерных систем управления.
-
Разработку и анализ рациональных структур мехатронного комплекса бурового станка.
3. Разработку и исследование мехатронных систем основных механиз
мов станка.
4. Разработку, исследование и реализацию микропроцессорных техни
ческих средств управления и обработки информации для мехатронных
систем станков шарошечного бурения.
Методы исследования. Для решения сформулированной научной задачи использованы математические методы современной теории автоматического управления, классической электромеханики, автоматизированного электропривода, теории эксперимента и обработки данных. Для исследования процессов в мехатронных системах использовались натурные эксперименты и имитационное моделирование.
Основные положения, защищаемые автором.
-
Математические модели основных технологических агрегатов бурового станка, ориентированные на анализ и синтез мехатронных систем.
-
Структуры мехатронных комплексов станков шарошечного бурения.
-
Методика параметрического синтеза мехатронных систем основных технологических агрегатов бурового станка с двигателями постоянного тока.
-
Структура и методика синтеза электромагнитного привода гидравлического усилителя системы подачи бурового инструмента.
5. Технические средства контроля параметров технологического процесса бурения (глубина скважины, скорость бурения, сопротивление изоляции электрооборудования и др.).
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
Составлена математическая модель процесса шарошечного бурения, ориентированная на синтез мехатронного комплекса бурового станка.
-
Разработаны и исследованы методики настройки регуляторов по критерию эффективного использования энергетического ресурса для мехатронных систем вращателя и хода бурового станка.
-
Разработаны и исследованы новые алгоритмы управления в мехатронных системах, обеспечивающие эффективное использование энергетического ресурса.
-
Предложены новые схемотехнические решения мехатронных модулей для буровых станков.
5. Предложен, исследован и реализован новый метод контроля сопротив
ления изоляции в электрических системах с преобразователями рода тока.
Практическая ценность. Составленные модели мехатронных систем и технологического процесса шарошечного бурения позволяют проводить целенаправленный синтез структур, объектно-ориентированных подсистем и элементов мехатронных комплексов буровых станков, обеспечивающих повышение эффективности вращательного бурения по критерию максимальной проходки за смену и максимально эффективного использования бурового инструмента.
Микроконтроллерные устройства, реализующие новый метод идентификации сопротивления изоляции, обеспечивают повышение надежности контроля, защиты и безопасности в электрических системах с преобразователями рода тока.
Методики параметрического синтеза и разработанные алгоритмы управления по критерию минимума потерь энергии в переходных процессах обеспечивают повышение энергетических характеристик мехатронных систем бурового станка.
Разработанные микроконтроллерные системы управления служат основой создания перспективных электроприводов постоянного и переменного тока для горных машин, автоматизированных агрегатов машиностроительной и других отраслей промышленности.
Реализация результатов работы. Теоретические результаты и практические разработки, в том числе, защищенные патентом Российской Федерации использованы в промышленных системах и устройствах электроприводов для буровых станков. Компания «Объединенная энергия» (г. Москва) освоила серийный выпуск преобразовательных агрегатов, микро-
контроллерных систем управления и специализированных технических средств для буровых станков, выпускаемых отечественными предприятиями. Продукция компании поставляется на российские предприятия, специализирующиеся на выпуске горных машин: ОАО «Рудгормаш» (г. Воронеж), ОАО «Бузулукский завод тяжёлого машиностроения», ОАО «Ижорские заводы», а также на горно-обогатительные комбинаты России и добывающие предприятия Индии.
Микроконтроллерные системы управления, структуры и элементы ме-хатронных систем включены в программы курсов «Электромеханические системы» и «Промышленная автоматика» для студентов Владимирского государственного университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8 научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе:
-
Научно-технических конференциях Владимирского государственного университета (Владимир, 2001 - 2005).
-
Международной молодежной научной конференции «XXV Гагарин-ские чтения» (Москва, 1999).
-
V Всероссийской научной конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (Чебоксары, 2003).
4. Научно-технических семинарах ООО «Компания «Объединенная
энергия» (Москва, 2000 - 2005).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 научных работ, в том числе получен патент РФ на изобретение.
Объём работы. Диссертация изложена на 192 с. машинописного текста, содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы из 102 наименований, 4 приложения и иллюстрируется 36 рис.
Похожие диссертации на Исследование и разработка мехатронного комплекса станка шарошечного бурения
