Специфические особенности и систематизация горных машин как МО

Следует отметить, что компоненты горных машин имеют ряд особенностей, существенно влияющих на принципы их проектирования, и, зачастую делающих невозможным использования решений из других отраслей машиностроения.

Основные особенности механических компонент:

- стохастический характер нагрузок при высоких уровнях коэффициента вариации в установившихся режимах работы;

- высокие экстренные нагрузки в переходных режимах;

- жесткие ограничения габаритных размеров оборудования;

- использование материалов, предельных по своим прочностным характеристикам (возможности по дальнейшему повышению практически исчерпаны);

Основные особенности электротехнических компонент:

- взрывозащищенное исполнение при жестких ограничениях габаритов;

- широкое, для забойных машин практически исключительное, использование асинхронных короткозамкнутых двигателей с водяным охлаждением, что определяется относительной простотой и надежностью обеспечения взрывозащищенности;

- широкое использование многодвигательного привода, в том числе работающего на один вал, что определяется ограничением габаритов;

- тяжелый режим работы, характеризующийся высокой продолжительностью включения при большом числе пусков и реверсов, при стохастическом характере нагружения;

- низкая относительная мощность шахтных сетей и удаленность токоприемников от источника, что приводит к существенным потерям напряжения;

Особенности электронных компонент это взрывозащищенное исполнение, требования искробезопасности выходных цепей, что ограничивает потребляемую мощность, низкое качество и большая длина линий связи.

Условия работы всех компонент горных машин характеризуются повышенной температурой, химической агрессивностью внешней среды, сложностью проведения профилактических и ремонтных работ.

Указанные особенности существенно ограничивают область допустимых решений при проектировании горных машин.

Так как устоявшейся терминологии мехатроники нет, то для дальнейшего изложения необходимо определить ряд терминов, используя иерархию МО, предложенную в [4], применительно к очисному комплексу как мехатронной системе.

Коммуникационный модуль (далее КМ) предназначен для информационного взаимодействия различных объектов и преобразования интерфейсов. КМ может быть реализован программно, (как часть программного обеспечения, обеспечивающая обмен данными), программно-аппаратно (например, в виде устройства преобразования интерфейсов на базе контроллера), аппаратно (например, устройств, кодирующих данные на базе аналоговой техники).

Управляющий модуль (далее УМ) формирует, преобразует и передает информационные сигналы, необходимые для полного или частично функционирования мехатронного объекта.

Ни КМ, ни УМ, как правило, не являются мехатронными объектами, и зачастую не имеют ни структурной, ни функциональной, ни конструктивной локализации. Данные термины вводятся для упрощения построения структурных схем, как объект преобразования интерфейсов и взаимодействий или формирования управляющего сигнала.

Мехатронный модуль (далее ММ) – унифицированный мехатронный объект первого уровня интеграции, предназначенный, как правило, для выполнения одной функции, реализации движения по одной координате. Мехатронный узел (далее МУ) – не унифицированный мехатронный модуль. Примером ММ применительно к горным машинам является, например, привод скребкового конвейера, состоящий из электродвигателя, трансмиссии, датчиков температуры и частоты вращения, одного или нескольких КМ или УМ.

Примером МУ может служить привод подачи очистного комбайна, состоящий из электродвигателя, трансмиссии, датчиков скорости и направления движения, датчиков температуры, датчиков давления, тормозного устройства, одного или нескольких КМ. Отличие ММ от МУ в данном случае определяется тем, что ММ привода скребкового конвейера может быть применен вне зависимости от остальных объектов очистного комплекса. МУ привода подачи очистного комбайна конструктивно, структурно и функционально связан с другими объектами, то есть для разных очистных комплексов этот МУ будет различным, следовательно, он не унифицирован.

Мехатронный агрегат (далее МА) – мехатронный объект второго уровня интеграции, состоящий из нескольких ММ или МУ, собственных КМ и УМ, не мехатронных объектов, например собственных датчиков, предназначенный для выполнения различных функций во взаимодействии с внешней средой, реализации различных заданных законов движения. В этом смысле МА будет являться секция механизированной крепи с электрогидроуправлением, состоящая из гидроцилиндров, электрогидроблока, УМ, датчиков, КМ. МА являются также очистные комбайны и скребковые конвейеры.

Термин «машина» является устоявшимся в угольном машиностроении, предлагается его использовать, не включая в иерархию МО, но определив его в понятиях мехатроники. Машина – объект, предназначенный для выполнения определенного технологического процесса и представляющий собой ММ, МУ, или МА. Тогда очистной комбайн это машина, предназначенная для разрушения и погрузки горной массы, и состоящая из одного или нескольких МУ привода подачи, одного или нескольких приводов резания, одного или нескольких КМ и УМ. Забойный скребковый конвейер – машина, предназначенная для перемещения разрушенной горной массы, и состоящая из одного или нескольких ММ привода, рештачного става и тягового органа, одного или нескольких КМ и УМ.

Мехатронная система (далее МС) – мехатронный объект третьего уровня интеграции, состоящий из отдельных ММ, МУ, МА, не мехатронных объектов, собственных КМ и УМ, имеющих упорядоченные связи, динамически функционирующее во времени и пространстве во взаимодействии с окружающей средой как единое целое. Очистной комплекс, состоящий из очистного комбайна (МАОК), забойного скребкового конвейера (МАЗК), секций механизированной крепи (МАСК), собственных КМ и УМ, обеспечивающей добычу угля из длинных очистных забоев является мехатронной системой (МСОК).

Интерфейс в мехатронике следует понимать шире его традиционного толкования, как системы связей с унифицированными сигналами для обмена информацией между устройствами. Интерфейс будем рассматривать как взаимодействие МО друг с другом и МО со средой вообще. В этом смысле интерфейсы могут быть различной физической природы. Возможные типы взаимодействий (с учетом принципов, предложенных в работе [8]) приведены в табл. 1.

Таблица 1- возможные типы интерфейсов

Преобразователь осуществляет изменение или преобразование взаимодействия и интерфейсов. Преобразователь может изменять значения взаимодействия одной физической природы, например, редуктор – механический преобразователь вращательного движения (далее ПВВ), либо, изменять природу взаимодействия, например, асинхронный двигатель –преобразователь электрической энергии во вращательное движение (далее ПЭВ), зубчато-реечный механизм - преобразователь вращательного движения в поступательное (далее ПВП).

По любой МО в целом может быть рассмотрен как информационно-механический преобразователь – объект, преобразующий информацию об окружающей среде в движение объекта.

Используя принятые определения можно составить структурные формулы для машин очистного комплекса. В угольном машиностроении, в первую очередь при проектировании очистных комбайнов для тонких пластов, практически реализовывалась СК-интеграция. Необходимость в этом была вызвана жесткими требования к габаритам и компоновке комбайнов, при достаточно высокой реализуемой мощности, что делало невозможным подход, при котором отдельно проектируется редуктор, двигатель, затем при помощи различных узлов (рама, муфты и т.п.) они объединялись в привод. Узкозахватные очистные комбайна первого поколения имели электрический привод режущего органа и гидрообъемный привод подачи, ручное управление (комбайн К101). Структурная формула комбайнов этого поколения может быть записана как

Уже на этом этапе очистные комбайны могли оснащаться и электронными компонентами (например, системой радиоуправления ЛИРА), причем практически на всех комбайнах были регуляторы различной физической природы и степени сложности (например, УРАН). Основной вид регулятора для очистного комбайна это регулятор нагрузки и скорости, обеспечивающий максимальную производительность комбайна при заданной нагрузке. Структурная формула в этом случае

Комбайны следующего поколения (К103) имели лучшие функционально-параметрические характеристики (в первую очередь, снижение зольности при той же производительности (скорости подачи)), и состояли из привода резания, двух приводов подачи с электрмагнитными муфтами, имели ручное управление. Структурная формула такого комбайна

Дальнейшее развитие очистных комбайнов и повышение функционально-параметрических характеристик (в первую очередь, скорости подачи, определяющую производительность), потребовало применения электрического привода подачи с высоким моментом и большим диапазоном скоростей. Комбайны нового поколения (УКД300) имеют частотно-регулируемый двух двигательный привод подачи, два привода резания со встроенными гидронасосами, дистанционное и автоматизированное управление, структурная формула комбайна

Первый член уравнения описывает привод подачи, второй привод резания, третий гидросистему, четвертый систему управления.

Не рассматривая подробно историю развития забойных конвейеров и механизированных крепей, запишем структурные уравнения для нового поколения двухскоростных скребковых конвейеров

и секции механизированной крепи с электрогидроуправлением

Анализ структурных уравнений показывает, что, перечисленные выше машины, удовлетворяют и необходимому и достаточному условию мехатронности, и могут рассматриваться как МО.

Поиск по сайту: