Введение к работе
Актуальность проблемы. Необходимость проведения научных работ ; целью автоматизации погрузочных машин обусловлена рядом следующих эбстоятельств. Первое: ковшовые погрузочные машины, получившие наи-5ольшее распространение во всем мире, управляются вручную, вследствие чего происходят поломки рабочего оборудования и трансмиссии лз-за неконтролируемых перегрузок, удорожается и снижается срок их эксплуатации. Ручное управление весьма трудоемко, около полутора ты-?яч движений в час должен делать машинист, управляя педалями и рукоятками машины. Второе обстоятельство: для рудников черной и цветно? металлургии в связи с повышением глубины горных работ возникает эпасность внезапного обрушения горной массы и заколов на погрузочную машину в очистном пространстве, увеличивается загазованность и растет травматизм горнорабочих. В таких условиях целесообразно использовать погрузочно-транспортные машины с дистанционным управлением. Эксперименты, проведенные автором на рудниках Норильского комбината показывают, что дистанционно управляемые машины с целью повышения эффективности их использования должны быть оснащены системой автоматического управления процессом зачерпывания. Без такой системы управление машиной производится наугад, производительность их резко снимется. Третье обстоятельство: в связи с усложнением горно-техни-геских условий добычи полезных ископаемых при открытых горных работах необходимо создание мобильных и маневренных машин для карьеров чалой и средней мощности. Перечисленные обстоятельства свидетельствуют о необходимости решения назревшей проблемы повышения производительности машин, надежности, экономичности и облегчения труда машиниста за счет автоматизации наиболее трудоемкой и энергоемкой части рабочего цикла - процесса зачерпывания скальной горной массы. Несмот*-ря на неоднократные попытки как отдельных исследователей, так и оргас-чизаций, где ведутся "работы по автоматизации горных и строительных «ашин, эта проблема не получила успешного решения.
Цель, идея и задачи исследования.
Цель - разработка научных основ создания автоматизированных рабочих органов ковшовых погрузочных машин и разработка средств управления процессом зачерпывания скальной горной массы,
Идея - использование усилий и нагрузочных моментов, действующих ча рабочее оборудование и ходо'вые части погрузочных машин в качестве сигналов для управления механизмами поворота ковша, подъема стрелы и передвижения (напора) при зачерпывании горной массы.
Обзор ранее проведенных исследований погрузочных машин и способов управления рабочим оборудованием погрузчиков, экскаваторов и землерсйно-транспортных машин позволил сформулировать следующие задачи исследования:
теоретическое обоснование параметров траектории зачерпывания в условиях ограничения предельных сил сопротивления, числа ступеней траектории и удельной работы черпания при заполнении ковша не менее 9055 его геометрической вместимости;
экспериментальное исследование деформаций штабеля, траекторий частиц горной массы и закономерностей наполнения ковшей с целью выявления источников сопротивления движению ковша и рациональной траектории процесса зачерпывания;
экспериментальное изучение силовой картины взаимодействия ковша и отдельных его элементов с навалом горной массы с целью установ ления закономерностей изменения равнодействующей и составляющих ее сил сопротивления перемещению ковша и обоснования главного сигнала управления механизмом поворота ковша при зачерпывании горной массы различной крупности;
разработка основ автоматического управления процессом зачерпывания, вкличаащих обоснование принципов управления механизмами по ворота ковса, подъеиа стрелы и передвижения (напора) на основе исследования вероятностных характеристик сигналов управления;
разработка основ конструирования автоматизированных ковшовых погрузочных органов, включающих классификацию схем подвеса рабочего оборудования, обоснование места установки силоизмврителышх датчико алгоритмы и схемы управления рабочим оборудованием;
разработка методики расчета основных параметров погрузчиков с учетом обеспечения рациональной траектории зачерпывания;
создание экспериментальных конструкций электронных регуляторо и проведение исследовательских испытаний их в шахтных условиях на погрузочно-транспортных машинах с дистанционным управлением.
Методы исследований. Поставленные задачи решались путем теорети ческих и экспериментальных исследований процесса зачерпывания горно массы на физических моделях и натурных погрузочных машинах с экспе-риментальными системами управления, привлечением положений механики сыпучих тел и методов математической статистики при обработке материалов исследований с использованием вычислительных машин.
Основные научные положения,внносимые на защиту, заключаются в следующем:
равнодействующая сил сопротивления движению ковша в горной мас-'.е представляет вектор, величина, угол наклона и точка приложения котрого определяются размерами призм горной массы, перемещаемых ков-юм, величиной уплотненных ядер перед рабочими его кромками, конст->уктивной формой ковша и отдельных его элементов, траекторией черпа-гая и неровностью почвы погрузочной площадки;
касательная составляющая сила на участках поступательного движения ковша имеет нарастающий пульсирующий характер, а нормальная юставляющая носит знакопеременный характер, обуславливаемый не-ювностыо почвы погрузочной площадки. На криволинейных участках тра-їктории составляющие силы убывают;
при зачерпывании слежавшейся и крупнокусковой горной массы для >беспечения рациональной траектории, при которой наполнение ковша вставляет не менее 50 его геометрической емкости и предельное на-юрное усилие не превышает сцепного веса машины, необходимо управ-гять работой трех механизмов: поворота ковша, подъема стрелы и пе-)едвижения, и при этом использовать комплекс сигналов, пропорциональ-шх тяговому (напорному) усилию, нагрузочным моментам от касательной
і нормальной составляющих сил и их первым производным;
система управления процессом зачерпывания с сигналом, пропор-іиональньш нагрузочному моменту, должна работать по шести зонам (в юрядке возрастания): - подъема стрелы, - ожидания, - временной кор-эекции (малых углов поворота ковша), - отработки основной части программы черпания, выключения механизма передвижения при встрече рабочего органа с неодолимым препятствием - определения степени заполнения совша в конце зачерпывания;
с целью повышения точности управления, снижения буксования ко-іес и обеспечения положительного заднего угла ковша сигнал следует снимать в непосредственной близости от ковша: в гидроцилиндрах ковша і стрелы и в конструктивных элементах подвеса рабочего оборудования і& раме машины;
с целью уменьшения динамической нагруженности на рабочее оборудование при зачерпывании слежавшейся и крупнокусковой горной массы этношение скоростей подъемного и напорного движений должно находиться в пределах 1,2 -1,0. При черпании сыпучей и мелкокусковой массы іредел этого отношения допустим до 0,3;
для обеспечения необходимого быстродействия на участке "дат-так-регулятор- исполнительный механизм" система должна обеспечить трохождение сигналов с амплитудой до 25 МПа и частотой до 3 Гц при этставании по фазе не более 0,2 с.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспе чивается:
установлением источников сопротивления движению ковша внутри навала горной массы и закономерностей их изменения, закономерносте наполнения ковшей, закономерностей изменения касательных и нормаль них сил сопротивления движению ковша и отдельных его элементов в горной массе на стенде с максимальной ошибкой тензОиэмерителъной системы не более 7% и относительной погрешностью результатов измер ний не более 2 при надежности 0,9;
теоретическим обоснованием возможности осуществления способа автоматического зачерпывания горной массы;
результатами проведения исследовательских испытаний автомати зированных фронтальных погрузчиков Т0-І, ТО-6 и ТО-7, породопогрузочной машины МПР-б, погрузчика - стенда натурного размера, погру-зочно-транспортных машин ДЦ-5А, ЦЦ-8А, ПД-8М. ПД-8Б, ЛФ-І2, "Кава-саки-б" и "Кавасаки-9" (на трех последних совместно с системой дис такционного управления). Было погружено в автоматическом режиме ою ло 33000 т горной массы различной крупности и степени слеживаемості
Научная новизна работы заключается;
в установлении силовой картины взаимодействия ковша и отдель ных его элементов с навалом горной массы, гакономерностей наполнения ковшей;
в разработке формул и номограмм для расчета касательных и нормальных сил сопротивления:
в разработке принципов управления и основ конструирования ко; шовых автоматизированных погрузочных органов.
Практическая значимость работы состоит:
в разработке методик исследований, расчета равнодействующей сил сопротивления и основных параметров погрузочных машин с автома^ тизированным погрузочным органом;
в практическом доказательстве возможности автоматического уп^ равления процессом зачерпывания;
в разработке технической документации на аппаратуру управления механизмами поворота ковша,подъема стрелы и передвижения ( напора) при зачерпывании.
Внедрение результатов диссертационной работы заключалось;
- в передаче комплектов электронной аппаратуры (датчики, регулі
торы, контрольные приборы, пульты набора программ и индикации) инжі
рерному центру концерна "Норильскникель" для использования на ПТМ
: дистанционным управлением, НПО Восточного горнообогатительного сомбината (г. Желтые Воды) и концерну Амкодор (г. Минск) для автоматизации погрузочно-транспортных машин и фронтальных погрузчиков;
в использовании научных положений диссертации институтом іипигормаш и Чебоксарским заводом промышленных тракторов для автоматизации рудничных погрузочно-транспортных машин типоразмерного ряда и карьерных фронтальных погрузчиков;
в использовании результатов исследования при составлении институтом Нипигормаш ГОСТ а 26916-86, в котором предусмотрено требование оснащения проектируемых погрузочно-транспортных машин системами автоматического черпания.
Личный вклад автора состоит:
в экспериментальном установлении источников формирования сопротивлений движению ковша в горной массе, закономерностей наполнения ковшей и формирования вектора сил сопротивления при зачерпывании;
в теоретическом обосновании параметров рациональной ступенчатой траектории черпания;
в разработке научных основ создания автоматизированных рабочих органов и систем управления для ковшовых погрузочных машин, включающих принципы управления процессом зачерпывания, алгоритмы и функциональные схемы систем, классификацию схем подвеса рабочих органов и обоснование мест размещения силоизмерительных датчиков;
в руководстве и личном участии при проведении всех,этапов теоретических и экспериментальных исследований, при конструировании аппаратуры.
Апробация работы.
Результаты работы по отдельным этапам и полностью в период с 1973 по 1992 гг. докладывались на 17 объединенных, региональных и всесоюзных семинарах и научно-технических конференциях, на Ученых оветах в Новосибирске (ИГД СО РАН, Новосиб. инисенерно-гтроительны? інститут, Новосиб. институт инж.ж-д транспорта, Новосиб. электро-гехнич.институт, дом техники при НТО горное), в Омске (Омские авто-дерожный институт), в С.-Петербурге (институт Гипроникель), в Екатеринбурге (институт Нипигормаш, Горный институт, Уралмаш), в Красно-трске (филиал института Вниистройдормаш), в Москве (ИГД им. Скочин-'кого А.А., сектор физико-технических проблем института физики Земли їм. О.Ю. Шмидта), в Норильске (горнометаллургический комбинат), в {иеве (дом экономической и научно-технической пропаганды), в Дне-
пропетровске (республиканское научно-техническое горное общество), в Кривом Роге (Внипирудмаш), в Минске (НПО Дормаш, завод "Ударник"' в Орле (завод погрузчиков), в Бердянске (завод Дормаш), в Екатеринбурге на одиннадцатой международной конференции по автоматизации в горном деле. Двумя бронзовыми медалями отмечалась аппаратура на ВД№
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 50 статей в центральных журналах и тематических сборниках трудов ИГД СО РАН и НИИЖТа, получено 15 авторских свидетельств, опубликованы две монографии [6, 48] (одна в соавторстве). Промежуточные отчеты и документация на аппаратуру систематически передаются заинтересованным научно-исследовательским и проектно-конструкторским организациям.
Объем работы.
В диссертации, изложенной на 360 страницах с 78 рисунками и 20 таблицами, содержится введение, пять глав, заключение и список литературы из 245 наименований. Приложения изложены в отдельном томе
Автор считает своим долгом выразить признательность академикам РАН Е.И. Шемякину, М.В. Курлене, д.т.н. А.Д. Костылеву и Э.Г. Чайковскому за оказанную поддержку и советы на различных этапах прове дения исследования. Автор также приносит глубокую благодарность сотрудникам института Нипигормаш за разработку автоматизированных экспериментальных погрузочно-транспортных машин, сотрудникам Новосибирского отделения института Электропроект и руководству горного управления концерна "Норильский никель" за оказание помощи при проведении исследований работы машин в рудничных условиях.