Введение к работе
Актуальность теш. Одной из главных задач Российской экономики является ускорение научно-технического прогресса, более рациональное использование производственного потенциала, экономия всех видов ресурсов и улучшение качества работы.
Ежегодно выполняются значительные об'емы работ по строительству капитальных горных выработок, тоннелей метрополитенов и тоннелей специального назначения.
Очевидна трудность решения задач, поставленных перед метро-
II Тоннелестроением, ЄСЛИ учеСТЬ, ЧТО ВЫПОЛНеНИе бОЛЫПИХ Сб'ЗМОВ
работ предусматривается в основном, за счет повышения производительности труда без увеличения численности рабочих.
Одним кз главных условия, способствующих повышению производительности труда, является достижение высоких скоростей проходки за счет применения механизированных проходческих комплексов. -
3 связи с повышением скоростей проходки, актуальным становится проблема автоматического (автоматизированного) контроля и управления направленны?,! движением тоннелепроходческих комплексов. Применение систем автоматического контроля и управления позволяет улучшить условия работы, сократить численность обслуживающего- персонала, повысить эффективность и качество работ.
Несмотря на большой об'єм исследований и разработок по автоматизации проходческих машин в настоящее время не решенз задача автоматического контроля и управления движением тоннелепрс-ходческих комплексов. Это связано с тем, что значительно возрастают требования к эксплуатационным показателям тоннэлепрсходчес-ких комплексов, а следовательно, к их конструкция?.!. Поэтому создаются новые, совершенные высокопроизводительные тоннелепроход-ческие комплексы, отличающиеся конструктивно от находящихся 3 эксплуатации (например КТ-5,5 Е22). Эффективное функционирование таких комплексов невозможно без использования современных систем и средств управления процессами шитовсй проходки. Одной из основных задач при этом является контроль положения и управления движением тоннелэпрохсдческсго комплекса по проектной траектории. Поэтому возникает необходимость разработки новой системы автоматического управления движением Еысокс-маневренных тоннеле-проходческих КОМЯДЄКССВ.
Диссертационная работа выполнена в рамках научного направ-
ления НЕТУ "Теория и принципы создания машин, автоматов п гибких автоматизированных систем управления" и связана с исследованиями и разработками пс госбюджетной теме П.53-729 "Разработка принципов построения роботехнических систем, средств автоматизации и информационного обеспечения производственных процессов технологических комплексов и мобильных машин", а также хозяйственных договоров НГГУ с СКВ, г.ЯсиЕовзтая, х/д N 4396 по теме "Создание микропроцессорной системы управления движением тоннелепрсхсдчес-кого комплекса КТ-5.6 Е22", х/д N 4596 по теме "Разработка и изготовление датчиков перемещения распорного кольца и копир-шарошек тоннелепроходческого комплекса КТ-5,6 Е22", и с ЯсиноЕатским машиностроительным заводом: х/д и 4831 по теме "Изготовление двух комплектов датчиков перемещения распорного кольца и копир-шарошек тоннелепроходческого комплекса КТ-5,6 Е22", х/д N 4832 по теме "Изготовление двух комплектов аппаратуры автоматизированного управления движением тоннелепрсхсдческсго комплекса КТ-5,6 Е22".
Цель работы. Разработка и исследование системы автоматического управления движением тсккелепрахсдчесіспх комплексов для повышения эффективности их фуіікщіснирования, улучшения условий труда и безопасности работ.
идея работы. Научная идея работы заключается б подходе к созданию системы автоматического управления движением тонкелэп-роходческого комплекса на основе использования лазерной статической активной системы с двумя многоэлементными фстсприемннка-ми, представляющими собой решетки фотоячеек, датчиков выдвижения управляющих гидродемкрзтев, копир-шарошек и механизмов крепеукладчика, а также управляющей микроэвм.
Научные положения, разработанные лично соискателем и их новизна:
установлено, что для обеспечения требуемого метода контроля положения тоже лепроходческого комплекса необходимо определять координаты двух точек продольной оси щита и одной точки распорного кольца в вертикальной и горизонтальной плоскостях при помощи быстродействующей измерителько-икфермащюнкой системы;
разработана математическая модель движения тоннелепроход-ческого комплекса в пространстве, учитывающая многомерность об'-
екта, позволяющая с учэтсм некоторых допущений рассматривать его движение раздельно в вертикальной и горизонтальной плоскостях и указывающая на отсутствие у комплекса собственной динамической устойчивости;
установлено, что тоннелепроходческий комплекс не отрабатывает упргзляюаие периодические Бездействия с частотой более 0,016 Гц,управление комплексом ведется на основании алгоритма, полученного методом пространства состояния и ссусествляэтся изменением напорных усилий гидродомкратов управления, вычисляемых при помоги решения системы алгебраических уравнений, езязшзаюпих перепады давлений и управляпинз воздействия;
предложена на основании математического моделирования методика для определения структуры и параметров системі управления движением комплекса, . обеспечивающих требуемую точность ведения, система управления движением тоннелелепрехедческсго комплекса может выполнять функции управления процессом возведения крепи.
юцедурз синтеза системы автоматического управления дви-
В работе защищается:
алгоритм управления гидредомкратамп зита по известной величине управляющего сигнала, основанный на решении системы алгебраических уравнений, составленной по принципу исключения действия гидродегасрата и уменьшения управляющего воздействия;
принишк технической реализации, саклйчзюгиесп в разработке алгоритмов и структуры системы автоматического управления
Обоснованность и достоверность научных положений, зиводов и
"ексмендаций педтвегкдэется корректной постановкой
наплавленным движением теннелеггеохедческих комплексов, а так.і:е
-4-пользованием строго доказанных положений теоретической и гаик-ладной механики, гидравлики, теории автоматического управления, математического моделирования и информатики; применением современных методов исследований; анализом научно-исследовательские работ но теме диссертации; использованием современных ЭВМ дла выполнения расчетов и обработки данных; оценками адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований (расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10%, что удовлетворяет требованиям).
Научное значение работы состоит в установлении зависимостей между движением тоннелзпроходческого комплекса в пространстве и физическими свойствами вмещающих пород, определении характера движения от управляющих воздействий различного типа, обосновании расчета напорных усилий гидродомкратов управления по величине управляющего воздействия в функции отклонения комплекса от проектной оси, в развитии принципов построения автоматических систем, обеспечивающих управление движением комплекса по проектной траектории с требуемой точностью.
Практическая ценность работы:
разработаны принципы технической реализации системы автоматического управления направленным движением тоннелепроходчес-ких комплексов;
разработана инженерная методика расчета элементов системы, автоматического управления направленным движением высокоманевренного тоннелепроходческого комплекса;
разработаны алгоритм определения координат ножевой и хвостовой точек щита, конечной точки распорного кольца в плане и профиле, алгоритм определения напорных усилий гидродомкратов управления по известной величине управляющего воздействия;
создана и внедрена новая система автоматического управления направленным движение тоннелэпрохедчзскего комплекса.
Реализация результатов работы.
Полученные в работе результаты использованы при разработке системы автоматического управления новыми типами горнопроходческих щитовых комплексов. Техническая документация на систему автоматического управления использовалась СКВ горных малин и оборудования (г. Ясинсватая) при проектировании тоянелзпроходческо-
-5-го комплекса КТ-5,6 Е22. Система автоматического управления движением тоннелепроходческого комплекса (САУД) внедрена Ясиноватс-ким машиностроительным заводом. Материалы работы используются з учебном процессе кафедры автоматизации производства, робототехники и мехатроники іїовочеркасского гссударственпого техііического университета.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях НГТУ (1993-1997 г.г.), международной научно-технической конференции го проблемам информатизации (г.Москва, 1995 г.), заседании секции НТО ОКБ (г. Ясиноватзя, 1994 г.), научно-технической конференции "Экстремальная робототехника" (г.Санкт-Петербург, 1997 г.), научных семинарах Северо-Кавказского научного центра высшей школы (1995,1996 г.г.), международной научной конференции "Проблемы геологии и геоэкологии юга России и Кавказа" (г.Новочеркасске, 1997 г.), заседаниях кафедры автоматизации производства, робототехники и мехатроники НГТУ(1993-1997 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано а статей, получено 2 патента и 1 положительное решение с выдаче патента.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глаз, заключения и приложений; изложена на 251 странице, з том числе на 157 страницах представлен текст, зо страницах -приложения; список использованных источников из 137 наименований приведен на 14- страницах.