Как совокупность синергетически связанных многоприводных мехатронных машин

Очистной механизированный комплекс

Наряду с общими для всех горных машин социальными, технико-экономическими и эксплуатационными требованиями к очистным механизированным комплексам (ОМК) предъявляется также следующие специальные требова­ния:

- высокий уровень автоматизированного управления основ­ным оборудованием, входящим в состав ОМК в виде мехатронизированных или мехатронных систем;

- обеспечение рациональной структурно-параметрической и конструктивной взаимоувязки основных машин ОМК;

- возможность реализации рациональных технологических схем и режимов работы для машин и оборудования ОМК при­менительно к вероятным областям применения комплекса;

- приспособленность машин и оборудования к отработке выемочного поля при наличии колебаний длины лавы.

ОМК можно классифицировать следующим образом.

1) по области применения:

- по углу падения пластов - для пологонаклонных (0-35°) или крутонаклонных и крутых (35-90°) пластов;

- по вынимаемой мощности - для весьма тонких (<0,7 м), тонких (0,7-1,2 м), средней мощности (1,2-2,5 м) или мощных (>2,5 м) пластов.

2) по типу основных машин, входящих в состав ОМК:

- по типу выемочной машины - комбайновые или струговые;

- по типу механизированных крепей - с агрегатированными (на основе секций) или комплектными (на базе комплектов) крепями.

В настоящее время ОМК применяются главным образом для отработки пластов с углами падения 0-35°. Это обусловле­но высокой сложностью создания достаточно работоспособных комплексов для крутых и крутонаклонных пластов. В связи с указанным в дальнейшем внимание будет уделено представи­тельным ОМК для отработки пологонаклонных пластов длин­ными лавами при управлении кровлей способом полного обру­шения. Здесь следует отметить рациональность перехода на отработку лав с увеличенными до 250-400 м длинами, что по­зволяет значительно сократить объем подготовительных работ и удельные затраты на концевых операциях.

Наиболее распространенные ОМК включают три основных технических объ­екта - скребковый конвейер, механизированную крепь и очист­ной комбайн. У всех забойных конвейеров ис­пользуется двухцепной тяговый орган. Часть конвейеров применяются с двухскоростными приводными электро­двигателями. Использование двухскоростных электродвигателей без гидромуфт в кинематических цепях приводных станций обеспечивает более эффективный запуск конвейера на вспо­могательной скорости цепного тягового органа (с последующим переходом на основную скорость). Кроме того, реализуется возможность доставки материалов по лаве на вспомогательной скорости, что соответствует требованиям безопасности.

Следует отметить, что марки выемочных комбайнов долж­ны подбираться в состав очистных комплексов в соответствии с типоразмерами механизированных крепей.

Разработка любого объекта, в том числе и мехатронного, начинается с определения как общих, вытекающих из его назначения функционально-параметрических характеристик, так и характеристик составляющих его компонент и построения на этой базе функционально-структурной схемы разрабатываемой машины. Применительно к очистному механизированному комплексу (ОМК) как мехатронной системе такая схема представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Функционально-структурная схема ОМК как мехатронной системы

На рис.1 в соответствии с классификацией мехатронных объектов, предложенной в [2], приняты следующие обозначения: ОК – мехатронный агрегат «очистной комбайн», ЗСК – мехатронный агрегат «забойный скребковый конвейер», СМК1, СМК2, … СМКN – мехатронные агрегаты «секция механизированной крепи», НСМК – мехатронный агрегат «насосная станции механизированной крепи» (их может быть несколько), М, С, Э, И – соответственно, механическая, силовая, электронная и информационная компоненты; С_Г – силовая гидравлическая компонента механизированной крепи; ВИС – внешняя информационная система; СТО – сопряженное технологическое оборудование; СКОС – система контроля окружающей среды.

Предложенная схема позволяет наглядно представить взаимосвязи между компонентами ОМК (на рис. 1 показаны стрелками). Согласно [4], возможны следующие виды связей между компонентами:

Согласование (-) – связь, при которой каждая из компонент имеет собственные параметры, ограничения и конструктивное исполнение, параметры компоненты согласованы для достижения общей цели. Такой вид связи имеет место, например, в обычном типе привода, имеющем стандартные двигатель и редуктор. Конструкция двигателя и редуктора никак не зависят друг от друга, компоненты могут быть использованы по отдельности, но для совместной работы должны быть согласованы. Согласование достигается подбором определенных параметров, введением согласующих устройств (муфты, различные защиты и т.п.). Структурная формула такого привода М-С_э (С_э – силовая электро-техническая компонента).

Соединение (+) – связь, накладывающая общие ограничения на компоненты и их параметры, каждая компонента имеет собственное конструктивное исполнение и при соединении для достижения поставленной цели образуется новая структурная единица, с собственными функциями и ограничениями. Примером такой связи могут служить практически все типы приводов очистных комбайнов, так как конструкция и параметры двигателей и редукторов жестко взаимосвязаны, двигатель и редуктор, соединенные тем или иным образом образуют корпусную подсистему машины. Структурная формула для такого привода М+С_э.

Совмещение (·) – связь, при которой ограничения, параметры и конструктивное исполнение для компонент являются общими, компоненты составляют единое устройство и неразрывно связаны для достижения поставленной цели. В технике привода примером такой связи являются мотор-редукторы, структурная формула М·С_э.

В работе [3] мехатроника определяется как «область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями». Синергетическое объединение может быть реализовано двумя основными способами:

- функционально-структурная интеграция (далее ФС-интеграция), заключающаяся в минимизации структурных блоков, необходимых для реализации необходимых функций, сокращения числа согласующих устройств;

- структурно-конструктивная интеграция (далее СК-интеграция), заключающаяся в минимизации конструктивных решений для реализации необходимой структуры.

ФС-интеграция приводит к замене связи «согласование» (-) связью «соединение» (+), СК интеграция – к замене связи «соединение» (+) связью «совмещение» (·), связь (-) означает отсутствие интеграции, поэтому в дальнейшем связи (+) и (·) будем называть интегрирующими. Объединение компонент подразумевает наличие любой связи между ними, интеграция – только интегрирующей.

С учетом сказанного, структурная формула очистного механизированного комплекса как мехатронной системы может быть представлена в виде:

(М_ОК · М_ЗСК · (М_СМК1 + М_СМК2 +…+ М_СМКN)) · (С_ОК + С_ЗСК + (С_НСМК · ·С_ГСМК1 · С_ГСМК2 · … · С_ГСМКN) · (Э_ОМК - Э_ОК - Э_ЗСК - (Э_НСМК - Э_СМК1 - Э_СМК2 - … - Э_СМКN) · (И_ОМК · И_ОК · И_ЗСК · (И_НСМК · И_СМК1 · И_СМК2 · … · И_СМКN)

Начальная стадия проектирования (эскизный проект, который предшествует ТЗ) состоит в определении полного состава компонент применительно к каждому мехатронному агрегату, определении функционально-параметрических требований к каждой из них, в т.ч. габаритно- массовых показателей. Следующим шагом является разработка моделей каждой из компонент и на их основе формирование модели мехатронного агрегата в целом.

Исследования моделей отдельных компонент преследуют цель определить поведение их как в установившихся, так и переходных режимах. Здесь же определяются соответствие заданным параметрам, номенклатура контролируемых параметров и их предельно допустимые значения, требования к средствам защиты, текущей диагностики, а также диагностики, определяющей израсходованный и остаточный ресурсы. Номенклатура диагностируемых параметров определяется на стадии исследования моделей, как отдельных компонент, так и модели агрегата в целом с учетом внутренних состояний элементов, предельных внешних воздействиях и допустимых состояний для данных конструктивных решений. При выполнении этих же исследований определяются параметры срабатывания защит.

Следующий этап - на основе отработанных моделей отдельных модулей создание полной модели разрабатываемой машины, т.е. мехатронного агрегата. На этой модели отрабатывается взаимодействие компонент, в части его бесконфликтности, т.е. синергетичности их объединения. После установления конфликтных стыков отрабатываются пути их разрешения. Таких способов может быть несколько:

- внутри одной из компонент;

- на стыке двух компонент;

- изменение общих требований к мехатронному модулю.

В качестве примера рассмотрим характер взаимодействия между информационными компонентами ОК и ЗСК. Наличие частотно-регулируемых приводов подачи комбайна и тягового органа конвейера ставит задачу обеспечения их согласованной работы, то есть обеспечения максимальной производительности комплекса при максимальном ресурсе забойного конвейера. Исходя из этих критериев рассмотрим взаимосвязь между скоростью перемещения очистного комбайна V_п и скоростью движения конвейерной цепи V_ц. Известно, что основным фактором, ограничивающим ресурс конвейерного става и цепи, является износ, величина которого определяется интенсивностью износа путем трения. Последний, в свою очередь, прямо пропорционален скорости движения цепи. Следовательно, для минимизации износа следует минимизировать скорость цепи конвейера. Количество угля, поступающего на конвейер, определяется теоретической (минутной) производительностью комбайна

Q = H_pB_з γV_п,

где H_p – мощность вынимаемого пласта,

B_з - ширина захвата,

γ – плотность угля в массиве.

Учитывая подвижность точки загрузки конвейерного полотна, площадь сечения грузопотока определяется по выражению

,

где γ_Н – плотность насыпного угля.

Приравняв площадь сечения грузопотока к его максимально возможному по характеристике конвейерного става значению S_max, получим зависимость для определения требуемой скорости цепи:

,

Здесь знак «+» ставиться при встречном направлении движения комбайна и цепи, а знак «-» - при попутном направлении. Таким образом, рациональная скорость движения конвейерной цепи зависит от скорости и направления движения комбайна, а также от мощности вынимаемого пласта. Вследствие этого, перед информационными компонентами и системами управления отдельных машин и комплекса в целом стоит задача согласования скорости движения цепи конвейера со скоростью перемещения и режимом работы комбайна для заданных горно-геологических условий. Другими словами речь идет о синергетическом объединении компонентов и машин, при котором эффективность работы комплекса оказывается выше простой суммы эффективности отдельных машин.

Одним из примеров реализации, отмеченных подходов может быть комбайн УКД300, оснащенный частотным преобразователем ПЧЕШ60 и системой управления и диагностики КУОК [6]. На рис.2 приведен общий вид комбайна (без преобразователя частоты), а также общий вид и расположение его электронных компонент. Рис. 2 наглядно иллюстрирует высокую насыщенность современных очистных комбайнов элементами электронной и информационной компонент.

Проектирование мехатронных машин, представляющих собой сложную многокомпонентную систему, в структуре которой общая доля электронно-информационных компонент превышает 40%, не может вестись по старым принципам.

Традиционный подход к проектированию горных машин закреплен в различных нормативных документах (ДСТУ 3974, КД 12.10.002-96 и др.), и он является основой существующей концепции горного машиностроения не только в части проектирования машин, но и в части организации производства, системы планово-предупредительных ремонтов, подготовки инженеров-конструкторов, горных электромехаников и др. специалистов.

Эта концепция исходит из того, что при проектировании системы (применительно к машиностроению - машины) можно разделить ее на подсистемы (уровни). Функции системы рассматриваются как сумма функций всех подсистем. В [3] говорится: «В процессе проектирования сложной системы формируются определенные представления о системе, отражающие ее существенные свойства с той или иной степенью подробности. В этих представлениях можно выделить составные части - уровни проектирования. В один уровень, как правило, включаются представления, имеющие общую физическую основу и допускающие для своего описания использование одного и того же математического аппарата».

Проектирование в этом случае (применительно к опыту постановки на производство изделий угольного машиностроения) может вестись по традиционной схеме (по [3] метод проектирования вертикальный, сверху-вниз):

1) определение целей системы;

2) определение функций системы;

3) разработка технического задания (ТЗ);

4) выделение уровней системы (компонент), разделение целей и функций системы на цели и функции компонент, разработка ТЗ на компоненты;

5) проектирование компонент;

6) предварительные испытания компонент;

7) увязка компонент в систему;

8) приемочные испытания;

9) закрепление действительно реализуемых функций, определение необходимости доработки, разработка технических условий (ТУ).

10) корректировка документации на компоненты;

11) испытания установочной партии.

Выделение уровней системы подразумевает анализ ее структуры, но, как правило, этот этап не формализован, при распределении функций используются эвристические правила, определяемые опытом специалистов, и зачастую по принципу не «что нужно сделать», а «что можно сделать». Это неизбежно приводит к функциональной избыточности одних компонент, их доминировании, и проектированию других по остаточному принципу.

При раздельном проектировании компонент с жестко определенными функциями, как правило, не проводится имитационное (в том числе математическое) моделирование, так как распределение функций по принципу «что могу» создает иллюзию ясности целей и задач отдельных компонент, сведение их проектирования к традиционным «отработанным» схемам.

Незнание закономерностей взаимосвязи компонент системы приводит к необходимости существенной корректировки по результатам приемочных испытаний, и как правило, необходимости изготовления и испытаний установочной партии, существенно отличающейся от опытного образца. Следует отметить, что описанная система проектирования была выработана в условиях социалистической экономики, когда испытания опытных образцов велись за счет государства, при этом на время испытаний могли быть снижены плановые показатели. Опыт работы в условиях рыночной экономики свидетельствует, что этап предварительных испытаний в настоящее время является формальным – заказчику необходимо оборудование, обеспечивающее требуемую производительность и ресурс, вне зависимости от того, какой оно имеет статус – опытное или серийное.

При разработке мехатронных объектов возможно только параллельное проектирование компонент. Данный термин закреплен в [1], но здесь представляется интересным рассмотреть первоначальный английский термин – «concurrent engineering methods». По [4]: «concurrent - конкурент; неотъемлемая часть; фактор; совпадающий; действующий совместно или одновременно» (курсив наш). Как видно, английский термин более глубоко отражает сущность такого метода проектирования. Тем не менее, в дальнейшем будем использовать устоявшийся термин – параллельное проектирование.

В работах [1], [2] подчеркивается, что параллельное проектирование является одним из ключевых особенностей мехатроники. Последовательность проектирования в этом случае должна быть другой. До этапа разработки ТЗ предусматривается функциональный и структурный анализ системы. Анализ S-модели невозможен без математического моделирования. Построение и анализ S-модели применительно к горным машинам на примере мехатронного узла привода подачи очистного комбайна подробно изложено в [2]. Основная задача на этом этапе – выявление конфликтующих компонент, что позволит обеспечить функционирование машины, сократить время и материально-технические затраты на проведение предварительных и приемочных испытаний.

Методы устранения выявленных конфликтов, предложенные в [2], вытекают из анализа конкретной S-модели, но их можно предложить для всех мехатронных объектов:

1. Изменить функционально-параметрические характеристики системы в целом, ограничив область взаимодействия системы с окружающей средой

2. Изменить функционально-параметрические характеристики конфликтующих компонент.

3. Изменить S-модель системы, введя дополнительные модули и (или) функциональные связи для ограничения или устранения конфликта, введя дополнительные авторегуляторы, защиты, согласующие устройства; при этом дополнительные модули могут быть как той же физической природы, что и конфликтующие компоненты, так и другой.

4. Изменить функционально-параметрические характеристики других, не конфликтующих компонент, то есть решить конфликт в области компонент другой физической природы.

Первый способ, хотя и является малопривлекательным, может иметь достаточно широкую область применения. На практике этот способ часто применяется в виде проектирования не одного устройства для всех заданных параметров окружающей среды, а ряда устройств, что позволяет для каждого из типоразмеров устройства сузить область конфликта или полностью разрешить его.

Второй способ представляется наиболее продуктивным, так как при этом проектировщик решает суть проблемы. Но этот способ далеко не всегда применим из-за накладываемых функционально-параметрическими характеристиками ограничений на область решений конфликта.

Третий способ наиболее распространен и достаточно продуктивен, но, тем не менее, является компромиссом, так как вводит ограничения на взаимодействие с окружающей средой, снижает качество функционирования, но не «декларативно», как при первом способе (запрет на функционирование системы при определенных параметрах окружающей среды), а «адаптивно» (система сама определяет допустимую область своего функционирования).

Четвертый способ применим, если решение конфликта в области компонент другой физической природы по каким-либо причинам эффективнее. Это может быть вызвано существующими объективными ограничениями, определяемыми функционально-параметрическими характеристиками, или субъективными причинами, например, возможностями проектировщика, временем или стоимостью разработки.

Проектирование сложной мехатронной системы, состоящей из большого числа мехатронных агрегатов, имеющих в свою очередь также сложную структуру узлов, модулей, сложным образом взаимодействующих, неизбежно сопровождается возникновением противоречий между ними. Разрешение возникших противоречий достигается при параллельном проектировании, что подразумевает не столько своевременное выделение необходимых объемов в общей компоновке узла, сколько формирование функционально-параметрических характеристик отдельных компонент с помощью различных видов моделирования, на основе анализа F-модели и S-модели, выявление «конфликтующих» параметров в местах объединения (стыка) компонент и выработке способов их разрешения.

Каждая из машин очистного комплекса обеспечивает ряд функций, взаимодействует с окружающей средой, но ни одна из них самостоятельно не обеспечивает цели – добычи угля с заданной производительностью в заданных горно-геологических условиях в течение заданного времени (с требуемым ресурсом). Для этого машины (мехатронные агрегаты) должны быть объединены в мехатронную систему – очистной комплекс.

Основные функции очистного комплекса (F-модель системы) можно сформулировать так:

1) отбойка горной массы;

2) погрузка горной массы;

3) доставка горной массы;

4) крепление выработанного пространства;

5) передвижение на новую выемочную полосу.

F-модель очистного комбайна, обеспечивающего отбойку и погрузку горной массы, формулируется как:

1) перемещение всего комбайна вдоль очистного забоя по координате Х (основной количественный параметр - скорость подачи, зависимый параметр – мощность привода подачи);

2) вращение исполнительных органов (основной количественный параметр – частота вращения, зависимый параметр - мощность привода резания);

3) перемещение исполнительных органов по координате Y (основной количественный параметр – скорость перемещения, зависимые параметры - расход и давление в гидросистеме, мощность привода гидросистемы);

4) диагностика собственного состояния (количественный параметр – время обнаружения отказа).

F-модель скребкового конвейера, обеспечивающего доставку горной массы:

1) перемещение отбитой горной массы вдоль очистного забоя по координате Х (основной количественный параметр - скорость цепи, зависимый параметр – мощность привода);

2) авторегулирование процесса пуска (обратная связь – нагрузка приводов);

3) диагностика собственного состояния.

F-модель механизированной крепи, обеспечивающей крепление выработанного пространства и перемещение всех машин на новую выемочную полосу, состоящей из однотипных секций:

1) перемещение скребкового конвейера по оси Z;

2) перемещение ограждения (слив, распор) по координате Y;

3) перемещение (задвижка) по оси Z;

4) перемещение боковых щитков по координате Х (для выравнивания секции и увеличения коэффициента затяжки кровли);

5) диагностика собственного состояния.

Основной количественный критерий выполнения цели очистного комплекса – теоретическая и связанная с ней техническая производительность, определяемые как [5]:

, т/мин	(1)
, т/час	(2)

где

k_т –коэффициент технического использования;

h – мощность пласта, м;

b_з – ширина захвата исполнительного органа выемочной машины, м;

v – скорость перемещения выемочной машины, м/мин;

γ – плотность угля в массиве, т/м³.

Объединение трех машин в систему, управляемую человеком–оператором и взаимодействующую с окружающей средой, накладывает функциональные ограничения на скорость перемещения комбайна, а именно:

(3)

где v_тр – предельная скорость комбайна по фактору транспортирования, т.е. наибольшая скорость перемещения комбайна, при которой еще возможно транспортирование конвейером всего добытого угля;

v_кр – предельная скорость комбайна по фактору крепления, т.е. наибольшая скорость перемещения комбайна, при которой секции крепи еще успевают передвигаться к забою непосредственно за комбайном;

v_ок – предельная скорость комбайна по фактору перемещения оператора комбайна, т.е. наибольшая скорость перемещения комбайна, при которой оператор успевает перемещаться за комбайном и управлять им;

v_мв – предельная скорость комбайна по фактору метановыделения, т.е. наибольшая скорость перемещения комбайна, при которой обеспечивается безопасное содержание метана в зоне разрушения и других точках.

Описанные выше ограничения не являются новыми (см., например, [6]), однако их анализ совместно с представленными выше F-моделями позволяет сделать ряд новых выводов.

Скорость комбайна по фактору транспортирования при условии оптимального использования возможности конвейера (то есть, когда теоретическая производительность очистного комбайна равна производительности забойного конвейера) определяется как:

, м/мин

(4)

где

v_ц – скорость цепи конвейера, м/мин;

s _max – максимальная площадь поперечного сечения загрузочной части конвейера;

γ_р –плотность разрушенного угля, т/м³.

В выражении (4) знак «+» соответствует попутному движению конвейерной цепи и комбайна.

Скорость крепления определяется как:

, м/мин

(5)

где,

В_кр – шаг установки секций крепи по длине лавы, м;

t_кр – время передвижки одной секции, мин.

Из (4) видно, что, для повышения v_тр необходимо увеличивать скорость тягового органа v_ц. Кроме того, v_тр зависит от направления движения комбайна. Так как износ става и тягового органа конвейера пропорционален v_ц, то для обеспечения заданного ресурса необходимо дополнить F-модель скребкового конвейера следующими функциями:

4) авторегулирование скорости перемещения горной массы по координате Х с обратной связью по скорости комбайна;

5) информационное взаимодействие с комбайном.

Из (5) следует, что для повышения v_кр необходимо сокращать время t_кр, чего можно добиться за счет применения автоматической (без участия оператора) передвижки секции крепи по мере передвижения очистного комбайна. Для этого необходимо дополнить F-модель секции крепи следующими функциями:

6) автоматическое перемещение скребкового конвейера по оси Z, (обратная связь – положение комбайна);

7) автоматическое перемещение по оси Z (задвижка), (обратные связи – положение комбайна и распор соседней секции);

8) авторегулирование положения по координате Y (обратная связь – давление распора);

9) авторегулирование положения по оси Z (обратная связь – положение конвейера);

10) информационное взаимодействие с другими секциями крепи.

Снять ограничение по скорости передвижения оператора возможно только, обеспечив автоматическое управление комбайном (исключение выполнения оператором функций управления скоростью и положением ИО - k₁, k₃ согласно S-модели комбайна). Для этого F-модель комбайна необходимо дополнить следующими функциями:

1) авторегулирование скорости подачи (обратная связь – нагрузка привода резания)

2) авторегулирование положения исполнительных органов по координате Y (обратная связи – крепость разрушаемой горной массы для работы без присечек, и положение крепи по координате Y для обеспечения геометрической проходимости комбайна);

3) информационное взаимодействие с крепью.

При указанном расширении F-моделей становится возможным управление всеми машинами очистного комплекса одним оператором посредством подземного (или наземного) диспетчерского пункта (МШУ, см. рис. 1). Для обеспечения возможности дистанционного контроля и управления с такого пункта необходимо дополнить F-модели всех машин еще одной функцией: информационное взаимодействие с МШУ.

Таким образом, предложенный функциональный анализ очистного комплекса как мехатронной системы позволяет на стадии проектирования выявить ряд конфликтующих параметров, ограничивающих производительность и ресурс машин комплекса.

Поиск по сайту: