Особенности горных машин как мехатронных систем

За последние 10-15 лет в мировом и отечественном угольном машиностроении произошли коренные изменения, результатом которых стало существенное повышение технико-экономических показателей добычи угля. Так среднесуточная добыча из очистного забоя достигает 15-20 тыс. тонн угля. Важно отметить, что существенное повышение эффективности достигнуто без принципиальных изменений технологии подземной добычи. Как и 40 лет назад добыча угля осуществляется очистными механизированными комплексами из длинных очистных забоев.

Основной отличительной особенностью машин современных очистных механизированных комплексов является наличие синергетически связанных механических, силовых (электротехнических, гидравлических и др.), электронных (микропроцессоры, преобразователи частоты) и информационных (датчики, программное обеспечение) компонент, что указывает на мехатронность этих объектов [1,2]. В технической литературе по мехатронике [3] и др. в основном рассматриваются важные вопросы определений, терминологии, классификации и т.п. В тоже время практические задачи конструирования, исследования мехатронных систем, оптимизации их состава в тесной связи с производством и эксплуатацией рассмотрены недостаточно. Особенно это ощущается в такой специфической области машиностроения, как угольное.

Рассмотрим концептуальные вопросы проектирования и эксплуатации очистных механизированных комплексов как синергетически связанных между собой мехатронных машин.

Целью нашей работы является анализ особенностей очистных механизированных комплексов с точки зрения возможности их трансформации в мехатронные системы и разработка общих положений по использованию принципов синергетики и мехатроники при проектировании комплекса многоприводных машин для подземной добычи угля.

При создании современных мехатронных горных машин с высокими функционально-параметрическими характеристиками разработчики столкнулись с необходимостью учитывать ряд специфических особенностей и требований, которые, как правило, не характерны для тех отраслей машиностроения, где мехатронный подход к проектированию является уже традиционным (например, робототехника, авиа-космическая отрасль, точная компьютерная механика, приборостроение и т.д.). Возникает необходимость обобщения этих требований с целью их комплексного учета при проектировании. Основные особенности очистных механизированных комплексов, оказывающие влияние на возможность их трансформацию в мехатронные системы, приведены ниже.

1) Постоянный рост энерговооруженности и расширяющееся использование регулируемого привода при неизменных габаритах, что определяется горно-геологическими условиями отрабатываемых угольных пластов. Так вертикальный габарит по корпусу комбайнов для разработки пластов мощностью до 2 м (характерной для Украинского Донбасса) типа УКД300 и УКД200-250 составляет 400 мм, а для комбайнов типа КДК500 – 500 мм. Учитывая толщины стенок корпусов, необходимые зазоры и конструктивные особенности, диаметры зубчатых колес, планетарных передач в этих условиях не превышают 310 и 410 мм соответственно. Привод современных горных машин, как правило, является многодвигательным (до пяти и более электродвигателей, в том числе многоскоростных и регулируемых), что требует разработки специальных алгоритмов управления для обеспечения их согласованной работы, включая последовательности их запуска, контроля и регулирования скорости вращения и режимов работы.

Например, до настоящего времени в угольной промышленности Украины наиболее распространенными являются разработанные 25 лет назад очистные комбайны РКУ10, РКУ13, оснащенные одним электродвигателем номинальной мощностью 200 кВт. В последние годы созданы очистные комбайны КДК500 для работы в тех же условиях, имеющие 5 электродвигателей общей номинальной мощностью около 600 кВт, в том числе два электродвигателя привода резания (по 250 кВт), два частотно-регулируемых электродвигателя привода подачи (по 45 кВт), и электродвигатель привода насоса гидросистемы (7,5кВт). В связи с разработкой мощных взрывобезопасных частотных преобразователей становится реальной задача создания очистных комбайнов с регулируемым приводом не только механизма перемещения, но и резания.

Аналогичная картина характерна и для привода забойных скребковых конвейеров. До недавнего времени забойные скребковые конвейеры отечественного производства оснащались, как правило, двумя приводными блоками общей мощностью до 320 кВт. За последние несколько лет по разработкам института «Донгипроуглемаш» освоены в производстве энерговооруженные (400-700 кВт) скребковые конвейеры типажного ряда КСД, имеющих от 2 до 4 двухскоростных электродвигателей мощностью до 115/350кВт каждый. В зарубежной практике, в частности на шахтах Германии, для мощных скребковых забойных конвейеров широко применяются частотно-регулируемые электропривода.

Тенденция роста энергооснащенности характерна и для механизированных крепей. Так рабочее давление гидросистемы крепи за последние годы выросло от 20 МПа до 40 МПа, а величина подачи насосной станции – от 100 до 200 л/мин на один насосный агрегат с возможностью включения нескольких агрегатов на параллельную работу. Можно прогнозировать появление насосных станций с частотно-регулируемым приводом.

Следует отметить, что использование регулируемого многодвигательного привода является, на наш взгляд, качественным шагом на пути от немахатронных к мехатронным горным машинам.

2) Случайный характер изменяющихся в широком диапазоне и определяемых физико-механическими свойствами разрушаемых пород нагрузок в основных подсистемах машин. Это требует больших перегрузочных способностей приводов и значительных запасов прочности, что весьма проблематично в стесненных условиях пластов малой мощности. Проблема усугубляется формированием значительных динамических нагрузок на машины (в том числе высокие экстренные нагрузки в переходных режимах), которые наряду со специфическими условиями работы определяются невозможностью применять общепринятые методы при проектировании ряда узлов. Например, при проектировании зубчатых передач из-за ограничений по габаритам применяются зубчатые колеса с большими модулями и, как следствие, низкими коэффициентами перекрытия (около единицы), провоцирующими динамические нагрузки. Отмеченные противоречия могут быть решены за счет применения быстродействующего регулируемого привода и электронных компонент - совместно снижающих динамические нагрузки и осуществляющих защитное отключение в аварийных ситуациях.

3) Подвижность, нестационарность положения всех машин очистного механизированного комплекса, пространственная неоднозначность взаимного расположения комбайна, забойного конвейера и секций механизированной крепи, имеющая в значительной степени случайный характер. Это создает большие трудности в части создания комплексов, работающих в автоматическом режиме, т.е. реализующих идею малолюдных технологий добычи угля. Решение проблемы лежит в плоскости оснащения забойных машин интеллектуальными сенсорами, идентифицирующими их взаимное положение и положение относительно вмещающих пород, специальным компьютерными системами и программным обеспечением. В этом смысле очистной механизированный комплекс принципиально отличается от робототехнических комплексов, используемых в машиностроительных технологиях.

4) Тяжелый режим работы машин, характеризующийся высокой относительной продолжительностью включения ПВ при большом числе пусков и реверсов и при стохастическом характере нагружения. Так ПВ электродвигателей очистных комбайнов в современных высоконагруженных лавах приближается к 70%, в то время как 10-15 лет назад не превышал 30%. Это обусловливает необходимость отвода значительного количества тепла от элементов привода (не только электродвигателей, но и редукторов). Вследствие этого возникает проблема подвода большого количества воды к подвижной машине и существенно усложняется конструкция узлов из-за необходимости устройства специальных охладителей с большим расходом охлаждающей жидкости. Например, для комбайна КДК500 общий расход воды с учетом его производительности составляет 350 л/мин., в т.ч. для охлаждения 80 л/мин. Кроме того, усложняется система управления, которая должна выполнять функции контроля чистоты температуры, давления и расхода охлаждающей жидкости.

В связи с этим актуальной становится проблема снижения тепловыделения, которая должна решаться за счет новых конструктивных решений, применения новых материалов, существенного повышения технологического уровня производства. Например, широко используемые в настоящее время электродвигатели имеют к.п.д. менее 0,9, в результате чего потери при мощности 220 кВт превышают 22 кВт. В тоже время электрические машины импортного производства имеют примерно такую же мощность при к.п.д. более 0,95, и, следовательно, значительно меньшие потери – около 11 кВт. Это существенно упрощает решение проблемы охлаждения и повышает надежность электродвигателей. Такой электродвигатель в настоящее время проходит испытания в составе угольного комбайна УКД 200-250 на одной из павлоградских шахт. Повышение к.п.д. актуально и для других тепловыделяющих узлов, например, редукторов.

5) Ограниченная мощность шахтных сетей электроснабжения, подвижность и удаленность токоприемников приводит к существенным трудностям при запуске машин и значительным потерям крутящих моментов привода при работе в установившихся режимах, что напрямую связано с производительностью [4]. Достаточно сказать, что мощность трансформаторных подстанций за последние 30 лет увеличилась с 400-630 кВА до 1200 - 1600кВА. Дальнейший рост единичной мощности подстанций ограничен их вписываемостью в горные выработки.

Отметим также, что за это же время сечение силовых жил питающих кабелей возросло с 35 до 95мм² на одну фазу, и дальнейший рост затруднен вследствие невозможности обеспечить необходимые радиусы изгибов при работе в кабелеукладчиках на пластах малой мощности. Эта проблема может быть решена за счет применения высоких питающих напряжений, что весьма сложно в стесненных шахтных условиях со специфической взрывоопасной средой, за счет применения регулируемого привода, а также специальных алгоритмов управления машинами комплекса. В мировой практике имеется опыт работы очистных механизированных комплексов при напряжениях питания 3300 В и более, но только в пластах средней мощности и выше.

6) Системы управления горными машинами, как правило, являются распределенными, что в условиях растущих объемов информации, циркулирующей между пунктами управления, создает существенные трудности в обеспечении требуемой скорости передачи информации, а, следовательно, реализации оптимальных алгоритмов управления при существующих линиях связи. Проблема усугубляется необходимостью искробезопасного исполнения систем, при относительно большой мощности потребляемой информационной компонентой и отсутствием надежного физического канала связи (проводного, оптического и т.п.), работающего в условиях больших механических нагрузок и значительных электрических и электромагнитных помех.

Отметим, что для морально устаревших комбайнов типа РКУ основная задача управления сводилась к прямому пуску асинхронного электродвигателя с обеспечением минимального количества традиционных защит (тепловая, от токов короткого замыкания и т.п.), и дальше работа машины определялась функционированием механической и гидравлической компонент. В тоже время управление комбайнами нового поколения требует применения специальных частотных преобразователей, микропроцессорных систем управления и диагностики, устройств точной гидравлики, которые в сочетании с механической компонентой, оснащенной интеллектуальными сенсорами, функционируют в соответствии с заданной программой, обеспечивая синергетическое единство в работе указанных компонент.

7) Широкое применение в машинах очистного механизированного комплекса гидравлических систем, работающих в чрезвычайно загрязненных условиях, требует особого внимания к процессам фильтрации рабочей жидкости, чистота которой напрямую определяет надежность функционирования систем управления. При этом необходимо иметь в виду, что наиболее гидрофицированный механизм очистного комплекса – механизированная крепь, потребляющая наибольшее количество рабочей жидкости, - предъявляет весьма жесткие требования к процентному содержанию присадок (около 2%), которое существенно влияет на безотказность и ресурс оборудования. Таким образом, возникает проблема непрерывного мониторинга качества рабочей жидкости в гидросистеме, постоянного поддержания ее уровня и чистоты.

Следует отметить, что чистота рабочей жидкости обеспечивается созданным в институте Донгипроуглемаш фильтром с промывкой противотоком рабочей жидкости. Что касается мониторинга качества рабочей жидкости и ее приготовления непосредственно в шахтных условия, то такая система, комплексно решающая задачу, в настоящее время создается в Донгипроуглемаше, причем отдельные фрагменты подобных систем уже применяются на шахтах [5].

8) Важным параметром для высоконагруженных очистных машин является гарантированный ресурс, выраженный через объем выполненной работы, например, количество добытого или перевезенного угля. В связи с этим, на стадии выполнения проекта необходимо на моделях определять ресурс отдельных компонент и модуля в целом с учетом их взаимодействия и прогнозных циклов нагружения в конкретных горно-геологических условиях. В процессе эксплуатации требуется постоянный мониторинг израсходованного и остаточного ресурсов. Большие потери времени при проведении ремонтных работ и, следовательно, потери в выполнении установленных заданий требуют повышения уровня диагностики машин. Мониторинг технического состояния машин необходимо решать за счет установки в характерных точках (узлах), которые определяются при виртуальных, а затем подтверждаются при экспериментальных испытаниях, специальных интеллектуальных сенсоров, объединенных в локальные информационные сети.

9) При работе высокопроизводительных горных машин появились серьезные проблемы, связанные со значительным выделением газа метана и с возросшей вероятностью внезапных выбросов угля и газа. Машины должны быть оснащены сенсорами контроля газа в зоне разрушения угля. Комплексно проблема должна решаться за счет применения специальных прогностических систем контроля окружающей среды.

10) В современных условиях возросла важность и актуальность эргономических проблем, связанных с ограниченными психофизиологическими возможностями человека-оператора при работе, особенно в тонких пластах. Эти проблемы касаются как быстродействия формирования управляющих воздействий, так и возможности физического перемещения за быстродвижущимся очистным комбайном. Для их решения требуется максимальное удаление обслуживающего персонала из рабочей зоны, т.е. применения, так называемых малолюдных технологий, что формирует специфические требования в части интеллектуализации систем управления.

11) Работа горных машин с высокими нагрузками в сложных горно-геологических условиях существенно осложнила решение вопросов безопасности и обеспечения приемлемых санитарно-гигиенических условий труда горнорабочих. В этом смысле одной из основных является проблема пылеподавления. С одной стороны ее решение обеспечивает санитарно-гигиенические условия труда рабочих забоя, а с другой – повышает безопасность за счет снижения фрикционного искрообразования. Решение этой задачи видится в применении, наряду с традиционным, высоконапорного орошения в сочетании с компьютерной системой мониторинга.

12) Из процесса создания новых горных машин в настоящее время фактически выпала стадия шахтных испытаний. В связи с этим первые образцы созданной машины должны иметь высокую надежность и производительность, т.е. конструкторские и заводские ошибки и погрешности должны быть сведены к минимуму еще на стадии проектирования. Поэтому многократно возрастает важность создания и использования математических моделей, которые должны обеспечить проведение виртуальных испытаний создаваемых машин на ранних стадиях их проектирования.

Указанные особенности существенно ограничивают область допустимых решений при проектировании горных машин. Рассмотрим некоторые общие подходы к синтезу современных горных машин, мехатронных модулей.

Поиск по сайту: