Введение к работе
Актуальность работы. Решение задач технического перевооружения предприятий открытой угледобычи неразрывно связано с дальнейшим развитием и соверйенствованием буровой техники. От качества проведения буровых работ зависит своевременная и качественная подготовка горной массы к экскавации и транспортированию, а следовательно, и технико-экономические показатели добычи в целом.
Одной из главных причин невысоких техника-экономических показателей буровых работ на разрезах является низкий технический уровень применяемого бурового оборудования. Техническая политика при создании новых машин долгое время была ориентирована лишь на дальнейшую модернизацию уже имеющихся конструкций без существенных качественных изменений. В итоге существующий в настоящее время на разрезах парк буровых станков морально и физически устарел, что создало в отрасли кризисную ситуацию. Существует острая необходимость в быстром обновлении вырабатывающего свой остаточный ресурс станочного парка, причем подходы к решению вопросов проектирования новой буровой техники должны быть коренным образом изменены. Станки должны быть адаптированы к специфическим условиям угольных разрезов, сокращена их номенклатура и численность, повышен технический уровень.
Этот круг вопросов по существу связан с повышением качества промышленной продукции, являющимся одной из важнейших проблем народного хозяйства.
Изложенное свидетельствует об актуальности диссертационной заботы.
Диссертационная работа выполнена по результатам НИР "Разработка научных основ создания универсальных станков єращатель-юго бурения для открытых горных- работ", тема N 984-93, по еди-юму заказ-наряду, утвержденному Государственным комитетом по зысшей школе России в рамках Головного Совета "Горные науки", іействующего на основании приказа министра науки, высшей школы і технической политики Российской Федерации N 25 от 19.01.93.
Цель работы - разработка теоретических методов проектиро-іания станков ноеого, более высокого технического уровня для фащательного бурения взрывных скважин на разрезах.
Идея работы заключается в применении на шнековых и шарошечных станках шнекопневматическои очистки и соедании на этой основе универсальных станков вращательного бурения, а также использования методов и процедур оптимизации параметров, разрабатываемых на базе системного анализа существующих взаимосвязей между ними.
Задачи исследований.
-
Разработка методики комплексной оценки технического уровня карьерных буровых станков;
-
Сравнительная оценка технического уровня отечественных и зарубежных буровых станков и выбор приоритетных направленні! его повышения;
-
Разработка методик оптимизации показателей технического уровня и синтеза оптимальных параметров буровых станков;
-
Обоснование перспективной буровой техники для разрезої в Езде универсальных станков Еращателького бурения;
-
Оптимизация показателей технического уровня и параметров и оценка ее влияния на технический уровень специализированных и универсальных станков вращательного бурения;
-
Разработка проекта типажа универсальных станков длг разрезов и оценка перспектив переоснащения отрасли станками но-еого поколения.
Методы исследований. При выполнении работы использовались как общенаучные, так и специальные методы исследований, включая научное обобщение, разработанные методы комплексной оценки технического уровня и оптимального проектирования буровых станков, математическое моделирование и аппарат линейного программирования. Для отыскания зависимостей математических моделей оптимизации в качестве основных приняты методы статистической обработки параметров больших групп буровых станков/математическогс и .лабораторного экспериментирования, анализа и синтеза.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Базой для научно обоснованного выбора приоритетных направлений повышения технического уровня карьерных буровых стан-кое являются комплекс показателей, выбираемых в зависимости оч степени влияния их на производительность станка, и функциональный критерий, который должен учитывать затраты энергии на очистку скватаны.
-
Основные резервы повышения технического уровня у'станаЕ-
- с ~
ливаются в результате сравнительного анализа его единичных показателей и заключены в использовании на вновь проектируемых станках для разрезов шнекопневматического способа очистки скважин и применении научно обоснованных методов оптимального проектирования, позволяющих сбалансировать их параметры.
-
Для обеспечения еысокого технического уровня и эксплуатационных показателей ' бурения проектирование карьерных станков должно выполняться на основе оптимизационной логико-математической модели, включающей структуру проектирования, математические модели, методики оптимизации показателей технического уровня и синтеза из них оптимальных параметров буровых станков, которая позволяет преобразовать исходные данные для проектирования в выходные эксплуатационные показатели и обеспечить обратную связь между ними, что составляет прямую и обратную задачи оптимизации.
-
Модели целевой функции и ограничений должны формироваться в результате анализа функционирования бурового станка как системы и представляются в виде уравнений регрессионного анализа, непосредственно связывающих соответствующие показатели с оптимизируемыми параметрами. В качестве критерия оптимизации целесообразно использовать обобщенные оценки технического уровня, а в качестве оптимизируемых параметров - его единичные показатели. Синтез оптимальных параметров основан на обеспечении оптимальности взаимодействия разрушающего инструмента с породой и функционирования станка в целом.
-
Использование комбинированной шнекопневматической очистки на станках шнекового и шарошечного типов повышает их технический уровень и является основой создания универсальных станков Еращательного бурения с возможностью использования на них всех характерных для вращательного бурения видов породораз-рушающего инструмента.
6. Технические требования по эксплуатационным показателям, составляющие основу типажа буровых станков, устанавливаются в результате решения обратной задачи оптимизации, заключающейся в определении по известным параметрам станка таких требований, при которых эти параметры будут оптимальными.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается: выбором представительных критериев оценки технического уровня
- 4 -буровых станков, достаточным объемом.теоретических исследованиі выполненных с применением апробированных методов математическої статистики, системного анализа, элементов теории множеств, использованием планирования и объемом математических и лабораторных экспериментов, позволяющих делать выводы с доверительно! вероятностью не ниже 95.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
разработана методика комплексной оценки техническогс уровня, отличающаяся от предложенной' Г.И.Солодом для беззкс-пертной оценки качества горных машин характерными для карьернш станков функциональным критерием, учитывающим процесс очистю скважины, и единичными показателями, номенклатура которых определена степенью влияния их на производительность станка;
сформирован алгоритм выбора приоритетных направлений повышения технического уровня карьерной буровой техники, основанный на сравнительном анализе его единичных показателей;
установлены новые закономерности формирования и регрессионные модели взаимосвязей между показателями техническогс уровня и параметрами карьерных буровых станков;
на базе методов комплексной оценки технического уровня v элементов системного-анализа разработаны математические модели и методики оптимизации показателей технического уровня карьерных станков вращательного бурения;
создан метод синтеза оптимальных параметров буровых станков, основанный на обеспечении оптимальности взаимодействия разрушающего инструмента с породой и функционирования станка г целом;
разработан метод формирования основных показателей проекта типажа универсальных станков вращательного бурения, заключающийся в установлении по известным параметрам бурового станке таких технических требований по эксплуатационным показателям, при которых эти параметры будут оптимальными.
Личный вклад заключается: в постановке цели, определении задач исследования и разработке методов их решения; в выполнении всех аналитических и лабораторных исследований; в формировании методологии проектирования карьерных станков вращательного бурения. В рамках отдельных разделов диссертации личный вклад автора заключается: в разработке методик комплексной оценки технического уровня и оптимального проектирования буро-
- 5 -вых станков; в разработке математических моделей оптимизации показателей технического уровня; в установлении основных взаимосвязей между параметрами буровых станков; в обосновании перспективной буровой техники для разрезов е виде универсальных станков вращательного бурения; в разработке их типажа и метода формирования его основных' показателей, а также рекомендаций по переоснащению парка станками нового поколения.
Научное значение работы состоит в разработке концептуально нового подхода к синтезу основных параметров карьерных буровых станков, базирующегося на элементах системного анализа и позволившего создать общий алгоритм проектирования и находить оптимальные технические характеристики унифицированного семейства машин.
Научные положения, разработанные в диссертации, способствуют созданию и совершенствованию эффективных методов проектирования горных машин различного технологического назначения.
Практическая ценность заключается в разработке механизма объективной оценки принимаемых решений на самой ранней стадии проектирования буроЕЫХ станков, методики оптимального проектирования и комплекса программ для ее реализации.
Разработанный аппарат оптимизации параметров карьерных буровых станкоЕ позволил расширить за счет оптимального согласования параметров функциональные и эксплуатационные возможности и вывести машины на мировой уровень, а также обосновать и разработать типаж перспективных для разрезов универсальных станков вращательного бурения, переоскздение станочного парка которыми позволяет сократить номенклатуру буровой техники для разрезов и необходимую для обеспечения имеющихся объемов бурения его численность .
Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные научные результаты работы внедрены и находят практическое применение в проектных (ОКБ ИГД им.А.А.Скочинского),научно-исследовательских (Кузнецкий филиал НИИОГР), и учебных (КузГТУ) институтах, заводах горного машиностроения (АООТ "Рудгормаш", Карпинский машза-вод), эксплуатирующих организациях (концерн "Кузбассразрез-уголь"). К их числу относятся методические материалы по оценке технического уровня и расчету оптимальных параметров карьерных буровых станков, пакеты прикладных программ, проект типажа универсальных станков вращательного бурения, технические задания
- 6 -на проектирование опытных образцов буровых станков с оптималь ными параметрами, разделы лекционных курсов.
Апробация работы. Работа и ее отдельные части докладыва лись и получили одобрение: на областной научно-практическо конференции молодых ученых и специалистов (г.Кемерово,1983 г.) на конференции "Технический прогресс на открытых горных работа Кузбасса" (г.Кемерово, 1984 г.); в Восточном научно-исследова тельском горнорудном институте (г.Новокузнецк, 1984 г.); н; 9-ой Всесоюзной научно-технической конференции по буровзрывньн . работам (г.Красноярск, 1984 г.); на Международном семинарі "Проблемы и перспективы развития горной техники" (г.Москва 19.95 г.); на Всероссийской научно-практической конференщн "Перспективы развития технологии и средств бурения".(г.Кемерові 1995г.); на Международной научно-технической конференцш "Проблемы комплексного освоения недр Казахстана" (г.Караганда 1995 г.), на ежегодных научных конференциях Кузбасского государственного технического университета (г.Кемерово, 1982-88 г.і и 1991-96 г.г.).
Публикации. По проблемам бурения скважин на карьерах опуб- линовано 46 научных статей и 2 авторских свидетельства на изобретения. Основное содержание диссертации отражено в 33 научны) статьях и 2 авторских свидетельствах.
Объем работы. Диссертация состоит из въедения, шести разделов и заключения, изложенных на 377 страницах, и содержит 27С страниц машинописного текста, 34 рисунка, 51 таблицу, список литературы из 176 наименований, 7 приложений.
Работа выполнена на кафедре горных машин и комплексов Кузбасского государственного технического университета, сотрудникам которой автор выражает глубокую благодарность.