Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Проходческая система, как объект имитационного моделирования 11
1.2. Обзор методов и процедур, используемых в практике имитационного моделирования процессов горного производства 15
1.3. Анализ состояния разработки математических моделей, описывающих функционирование проходческих погрузочно-транспортных модулей 20
1.4. Конкретизация предмета и задач исследования 26
2. Разработка принципов и процедур моделирования и сопоставления погрузочно-транспортных модулей с учетом случайного характера внешних воздействий .. 29
2.1. Общая структура и последовательность процедур моделирования горно-проходческих систем и погрузочно-транспортных модулей 29
2.2. Описание состава штабеля как функции случайного размера куска... 32
2.3. Моделирование гранулометрического состава в малом выделенном объеме 35
2.4. Средний случайный размер куска в малом выделенном объеме 54
Выводы по главе 2 60
3. Имитационное моделирование производительности погрузки и призабойного транспорта при использовании ковшовых погрузочных машин 62
3.1. Общее построение имитационной модели формирования потока случайных объемов черпания 62
3.2. Математические модели процесса внедрения ковша в штабель 67
3.3. Математические модели процесса зачерпывания 82
3.4. Объем единичного захвата ковшом. Предельная вместимость ковша и объем ссыпания 98
3.5. Математические модели поцикловой продолжительности единичных черпаний 105
Выводы по главе 3 112
4. Имитационное моделирование производительности погрузки и призабойного транспорта при использовании погрузочных машин непрерывного действия (ПНБ) 114
4.1. Общее построение имитационной модели формирования производительности системы «штабель - погрузочная машина -призабойный транспорт» 114
4.2. Математическая модель случайных объемов единичного захвата нагребающими лапами 120
4.3. Математическая модель формирования нагрузки на валу ведущих звеньев механизма нагребающих лап 130
4.4. Исследование и оценка предельных возможностей проходческого специализированного перегружателя 132
Выводы по главе 4... 150
5. Разработка инженерной методики выбора рациональных вариантов проходческих погрузочно-транспортных модулей 151
5.1. Общее построение инженерной методики 151
5.2. Алгоритм и программа имитационной модели функционирования погрузочно-транспортного модуля 157
5.3. Прогнозная оценка эффективности различных вариантов погрузочно-транспортных модулей 181
Выводы по главе 5 201
Основные результаты и выводы по работе 203
Список использованных источников 206
Приложения (приведены в отдельном томе)
- Анализ состояния разработки математических моделей, описывающих функционирование проходческих погрузочно-транспортных модулей
- Моделирование гранулометрического состава в малом выделенном объеме
- Объем единичного захвата ковшом. Предельная вместимость ковша и объем ссыпания
- Математическая модель случайных объемов единичного захвата нагребающими лапами
Введение к работе
Актуальность проблемы. Горнопроходческие работы (ГПР) при проведении выработок буровзрывным способом занимают особое место в деятельности горного предприятия: трудоемкость ГПР составляет более 25% общих трудозатрат. Проблема снижения затрат на проведение выработок остается весьма актуальной.
При множестве альтернативных направлений решения указанной проблемы необходимо выделить одно - разработка научно-обоснованных методов и процедур выбора горнопроходческого оборудования в условиях развитого рынка машиностроительной продукции. Решение такой задачи актуально по следующим соображениям:
существование множества вариантов машин для конкретных условий;
высокая стоимость оборудования и высокий уровень экономического риска;
3) завышенные рекламные характеристики оборудования заводов-
изготовителей;
4) неполнота информации о рабочих процессах горнопроходческих ма
шин, содержащихся в литературе и нормативных документах, в которых
функционирование машин рассматривается на основе усредненных детерми
нированных моделей, что приводит к искаженным оценкам характеристик
машин.
Вместе с тем, полная задача выбора горнопроходческого комплекта или комплекса является сложной и объемной, решение которой возможно на основе аналитического и имитационного моделирования. В соответствии с системной концепцией решения подобных задач необходимо обоснование целевой функции, совокупности ограничений, моделирование работы вариантов оборудования в процессах разрушения, погрузки - призабойного транспорта, крепления, сопоставление вариантов и выбор приемлемого. Это требует разработки соответствующей научно-методической основы, программного обеспечения, создания баз данных, что в настоящее время представляется затруднительным. Целесообразно приступить к решению задачи по частям.
Погрузочно-транспортный модуль проходческой системы (ППТМ) можно считать достаточно обособленным объектом, выполняющим функцию вы-
грузки штабеля разрыхленной взрывом горной массы и удаление её за пределы призабойной зоны. ППТМ характеризуется разнообразием конструктивных форм, многочисленными вариантами сочетания погрузочной и призабойной транспортной подсистем. Отличительная особенность ППТМ состоит в том, что средой взаимодействия является штабель кускового материала, в котором реализуются случайные процессы при внедрении, захвате порции горной массы и ее транспортировании.
Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научных направлений ЮРГТУ(НПИ) «Компьютерное моделирование процессов и технологий горного производства как основы создания систем автоматизированного проектирования и управления» и «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда», проекта 04.01.037 «Проходческие погрузочно-транспортные модули и подсистемы угольных шахт на основе клиновых гид-рофицированных исполнительных органов» научной программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направления науки и техники» в 2000-2002 г.
Цель работы. Повышение эффективности горнопроходческих работ путем снижения уровня риска при выборе альтернативных вариантов проходческих погрузочно-транспортных модулей на основе использования программно-методического обеспечения аналитического и имитационного моделирования рабочих процессов ППТМ.
Идея работы заключается в разработке базовых математических моделей, обосновании процедур аналитического и имитационного моделирования процессов погрузки и транспортирования кусковых пород оборудованием непрерывного и периодического действия с учетом случайного характера внешних воздействий.
Научные положения, выносимые на защиту.
Предельные технические возможности ППТМ в конкретных условиях эксплуатации определяются на основе адекватных математических моделей, аналитического и имитационного моделирования процессов формирования производительности, трудоемкости за общее время погрузки и транспортирования с учетом случайного гранулометрического состава штабеля.
Гранулометрический состав штабеля горной массы представляет со-
7 бой непрерывную функцию распределения случайного размера куска, которая преобразуется в процессах единичных черпаний погрузочным органом; объем единичного захвата из штабеля формируется как случайный процесс внедрения и зачерпывания, при этом локальные объемы в погрузочных органах и перед их кромками описываются на основе биномиального закона распределения.
Производительность за чистое время работы ППТМ, в состав которого входит ковшовая погрузочная машина, определяется при последовательном использовании математических моделей сопротивлений внедрению, зачерпыванию, наполнения ковша, динамических процессов подсистем напора и подъема ковша как минимальное значение с учетом ограничивающих факторов - напорного усилия и энерговооруженности приводов, а реализация случайных воздействий со стороны штабеля горной массы проявляется через средний случайный размер куска в локальном объеме перед кромкой ковша и случайный объем единичного захвата.
При моделировании работы ППТМ, в состав которого входит погрузочная машина'с нагребающими лапами, учитываются взаимосвязанные динамические процессы подачи машины на штабель, захвата материала лапами, изменения объема активной зоны и управление механизмом подачи; случайные составляющие объемов захвата лапами формируются под воздействием локальных изменений гранулометрического состава в зоне сдвига.
Пропускная способность проходческого перегружателя, входящего в состав ППТМ, определяется случайными процессами захвата порций материала клиновым тягово-транспортирующим органом и изменением гранулометрического состава материала при передаче груза из одной ячейки в другую.
Методы исследований. В работе использованы методы теории вероятностей, математической статистики, аналитического и имитационного моделирования многосвязных систем при случайном характере внешних воздействий, а также методы теоретической механики, теории электропривода.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Впервые поставлена и решена общая задача выбора рационального варианта ППТМ на основе аналитического и имитационного моделирования рабочих процессов с учетом случайного характера внешних воздействий -изменения локального гранулометрического состава штабеля.
2. Разработан метод математического описания гранулометрического
состава штабеля в целом и малого объема горной массы по крупности кусков, его изменения в процессах порционного отбора и перемешивания, что позволяет прогнозировать величину среднего случайного размера куска в процессах взаимодействия погрузочных органов со штабелем.
Уточнены математические модели процессов внедрения, зачерпывания, наполнения ковша, которые представлены в виде единой системы для определения производительности ковшовой погрузочной машины при аналитическом и имитационном моделировании с учетом влияния случайного размера кусков.
В математических моделях формирования производительности погрузочных машин с нагребающими лапами функционирование подсистемы «рабочий орган - штабель - призабойный транспорт» рассматривается как единый процесс с учетом формирования нагрузок в функции угла поворота ведущих дисков, положения питателя в штабеле, изменения объемов материала в активной зоне и случайного размера кусков, взаимодействующих с лапами.
Впервые разработана аналитическая и имитационная модели рабочего процесса проходческого перегружателя с клиновым тягово-транспортирующим органом, в которой объемы транспортирования груза в каждой ячейке взаимосвязаны случайной величиной заполнения ячейки и гранулометрическим составом.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных апробированных методов исследований: анализом научно-исследовательских работ по рассматриваемому вопросу; статистическими методами планирования численных экспериментов, выполненных с использованием современных ЭВМ и программных продуктов, прежде всего, среды MathCad; описанием формирования производительности ППТМ как стохастического процесса с учетом случайного состава горной массы по крупности; адекватностью результатов моделирования реальным процессам внедрения, черпания, единичного захвата; относительным расхождением средних расчетных и экспериментальных значений, не превышающим 12%.
Значение работы. Научное значение работы состоит в разработке нового подхода к моделированию совокупного рабочего процесса ППТМ, который позволяет определить производительность, удельную энергоемкость
и трудоемкость подсистемы как последовательность случайных реализаций с
учетом изменения свойств штабеля кусковой горной массы.
Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты, в частности, инженерная методика выбора рациональных вариантов ППТМ, а также программы для ЭВМ, моделирующие функционирование подсистемы «погрузка - призабойный транспорт» при случайных воздействиях используются при анализе реальных возможностей выпускаемого горнопроходческого оборудования, оценке ресурсов повышения его эффективности и направлены на дальнейшее совершенствование методов анализа предлагаемой на рынке машиностроительной продукции или вновь создаваемой проходческой техники.
Внедрение результатов диссертационных исследований. Основные результаты диссертационных исследований приняты к использованию в ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского и ООО «Скуратовский машиностроительный завод» для оценки показателей типовых технологических схем проведения подготовительных выработок и фактической производительности горнопроходческого оборудования. Результаты исследований рекомендуются к применению техническим службам шахт и угольных акционерных обществ для сравнительного анализа возможностей приобретаемой проходческой техники, а также научно-исследовательским и проектно-конструкторским организациям при разработке или модернизации образцов ППТМ для проведения выработок буровзрывным способом.
Методы расчета, имитационного и аналитического моделирования, сопоставительного анализа и выбора рациональных вариантов ППТМ включены в учебный курс «Буровзрывные проходческие системы» для студентов специальности 150402- «Горные машины и оборудование» в виде разделов одноименного учебного пособия, имеющего рекомендательный гриф Минобразования РФ.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на международных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2000-2006г.г.), заседании учебно-методической комиссии по специальности «Горные машины и оборудование» (г. Новочеркасск, 2001г.), научно-практических конференциях: ЮРО академии горных наук (г. Шахты, 1998 г.), ЮРГТУ (ИЛИ) (г. Шахты, 1995-2005 г.г.), «Современное состояние и перспективы развития механизации и электрификации горного и нефтегазового производства»
10 (г. С-Петербург, 2004 г.), научных семинарах кафедры «Технологические
машины и оборудование».
Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 печатных работ, в том числе, 1 монография в соавторстве.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 101 наименований и приложений; содержит 54 рисунка и 47 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры «Технологические машины и оборудование» ШИ ЮРГТУ (НПИ) за постоянную методическую помощь в работе над диссертацией.
Анализ состояния разработки математических моделей, описывающих функционирование проходческих погрузочно-транспортных модулей
Создание общей методологии выбора рациональных вариантов горнопроходческого оборудования целесообразно начать с погрузочно-транспортной подсистемы. По трудоемкости эта подсистема занимает 25-35% трудозатрат проходческого цикла. Именно ППТМ в значительной мере определяет стохастические неопределенности в проходческой системе: 1) взаимодействие погрузочных и транспортных машин со штабелем горной массы, имеющих гранулометрический состав как случайную функцию размера куска; 2) удельная трудоемкость ручных вспомогательных операций, представляющих собой случайные величины, характеристики которых зависят от гопнотехнических и технологических условий пповепения выпаботки: 3) случайные потоки отказов и восстановлений оборудования - погрузочного и призабойного транспортного.
Как показано выше, для горнопроходческой системы в целом и отдельных подсистем, в качестве целевой функции могут быть приняты: удельная трудоемкость проведения выработки т, чел.минУм3, производительность системы, т.е. приведенная скорость проведения выработки и, м3/ч, или удельная стоимость готовой выработки С, руб./м3. Принципиально постановка оптимизационной задачи выбора горнопроходческого оборудования аналогична для любого из перечисленных критериев. Вместе с тем, минимизация удельных суммарных затрат потребует создания достоверной базы данных по каждой из составляющих, что в условиях нестабильных цен на оборудование, материалы и рабочую силу, практически невозможно. Финансовые ресурсы заказчика могут быть приняты в качестве принуждающей связи при оценке и сравнении вариантов.
Наиболее полно технико-экономические свойства проходческой системы можно оценить с помощью удельной трудоемкости т. Этот критериальный показатель, как показано в работе [32, 33], определяет, с одной стороны, основную составляющую затрат - затраты живого труда (заработную плату), с другой - позволяет установить связь с производительностью системы при известном числе операторов. При минимальном значении удельной трудоемкости проведения выработки известного поперечного сечения можно обеспечить в большинстве случаев наибольшие скорости проходки (за счет увеличения численности проходческой бригады и совмещения операций). Таким образом, показатель т является адекватной характеристикой технических и экономических свойств проходческой системы и её подсистем, в частности, погрузочно-транспортной подсистемы.
Как показано в п. 1.1, удельная трудоемкость процесса определяется производительностью технологической машины за чистое время погрузки Rx, с учетом влияния горно-технологических условий КГг, коэффициента машинного времени Км и трудозатрат на вспомогательные операции N-,. В формулу [5] не введен в явном виде коэффициент готовности подсистемы и затраты труда на ликвидацию отказов. Однако эта процедура может быть выполнена дополнительно при моделировании процесса формирования производительности машины и суммарной трудоемкости процесса.
Применительно к работе ППТМ с погрузочными машинами ковшового типа формирование производительности R(t) есть случайный процесс последовательного отделения от штабеля единичного случайного объема Ущ и передача его на сопряженное транспортное средство через случайный отрезок времени Тц]. Для ППТМ с машинами непрерывного действия необходимо описать формирование случайного грузопотока q(t) и передачу его на транспортное средство.
Вопросам расчета производительности погрузочных и призабойных транспортных машин посвящены исследования многих научно-исследовательских институтов СССР и РФ, выполненные за последние 50 лет: ИГД СО АН СССР (РФ); ЦНИИПодземмаш; Гипроникель; ИУ СО АН СССР (РФ); РіГТМАНУССР;ИГДАНКазССР;МГРИ;ЮРГТУ(НПИ);ХГИ и ряда других. Значительный вклад в решение проблемы адекватного описания рабочих процессов внесли известные руководители научных школ доктора технических наук, профессора Тихонов Н.В., Родионов Г.В., Соловьев А.А,. Музгин С.С., Михирев П.А., Водяник Г.М., Костылев А.Д., Горбунов В.Ф., Хазанович Г.Ш., Ляшенко Ю.М., Бунин В.И., Носенко А.С., Кравченко П.Д.; кандидаты технических наук Иванов О.П., Сильня В.Г., Семко Б.П., Гагин О.Д., Носенко СИ., Ерейский В.Д., Рюмин Н.А., Крисаченко Е.А., Турушин В.А., Лоховинин С.Е., Остановский А.А., Каргин Р.В. и другие.
Впервые комплексные исследования процесса взаимодействия ковша со штабелем кускового материала выполнены в 50-х годах XX в. в ИГД СО АН СССР под руководством проф. Родионова Г.В. [34-37, 38-41]. Получены зависимости сопротивлений внедрению от глубины внедрения [38, 39], сопротивлений зачерпыванию от угла поворота [40, 41] и первые математические модели наполнения ковша [38], а также разработана первая методика выбора па 23 раметров ковшовых погрузочных машин [37]. Этими исследованиями были продолжены экспериментальные работы Н.В. Тихонова, которые проводились в МГРИ [42] и О.П. Иванова - в НПИ (ныне ЮРГТУ (НПИ)) [43]. В 1962 г. вышла в свет первая обобщающая монография [44].
Необходимо отметить существенный вклад в теорию работы ковшовых погрузчиков и подземных экскаваторов коллектива лаборатории ИГД Казахской АН ССР под руководством д-ра тех. наук С.С. Музгина [45-47]. Им впервые получены закономерности взаимодействия ковша со штабелем крупнокускового материала, обращено внимание на стохастический характер закономерностей, а также на влияние масштабного фактора, т.е. соотношение размеров рабочего органа и куска погружаемого материала. Необходимо отметить работы доцента Ю.Ф. Фабричного, выполненные также для анализа процессов взаимодействия ковша с крупнокусковой горной массой [48].
Значительные по объему и содержанию научно-исследовательские работы в области механизации погрузки горной массы выполнены в научной школе Новочеркасского политехнического института [32, 33,49-62, 63-65]. Под руководством профессора В.Г. Михайлова, а затем доцентов О.П. Иванова и В.Г. Сильня проведены масштабные теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов ковшовых погрузочных машин и машин с парными нагребающими лапами. Следует отметить работы в области теории взаимодействия ковша со штабелем доцентов О.Д. Гагина, В.Д. Ерейского, в области динамики процессов внедрения и зачерпывания профессора Г.Ш. Ха-зановича, доцентов С.И.Носенко, В.А. Щербакова.
Моделирование гранулометрического состава в малом выделенном объеме
Работа алгоритма (рисунок 2.6) и соответствующей программы (приложение 2) проверялось на тестовых вариантах для рядового штабеля (гранулометрическая кривая 4). Результаты моделирования представлены в табл.2.6, 2.7 и 2.8.
Динамика изменения гранулометрического состава штабеля при последовательном отборе из него материала с корректировкой объема и гранулометрического состава груза в ковше (табл. 2.6) свидетельствует о статистической стабильности процесса: суммарный объем единичных черпаний изменяется в пределах 0,86-0,95 м3 при номинальном объеме - 0,9 м3. Среднее значение долевого содержания каждого разряда в штабеле [Ph; (dcp)\j соответствует аналогичному показателю исходного штабеля.
Таким образом, разработаны адекватные процедуры статистического преобразования гранулометрического состава штабеля в виде непрерывной функции распределения случайного размера куска в дискретные функции долевого содержания кусков различных разрядов крупности в малых выделенных объемах. Это позволяет моделировать в условиях, приближающихся к реальности, процессы внедрения, черпания порционного транспортирования горной массы, в которых необходимо на основе локального гранулометрического состава определить случайные размеры куска перед рабочими кромками погрузочных органов, сопротивления внедрению, черпанию и объемы единичного захвата.
Задача определения dcp перед кромками рабочих органов или внутри произвольных малых выделенных объемов v становится тривиальной при известном гранулометрическом составе Рщ или долевом содержании
Наиболее ответственным моментом при статистическом моделировании силовых процессов является определение номинального значения малого объема У, внутри которого далее ведется поиск распределения Ри( 1Срд- Очевидно, что статистика распределения числа кусков разных разрядов зависит, прежде всего, от размера зоны формирования v. С увеличением v гранулометрический состав выделенного объема в каждой отдельной реализации будет стремиться к исходному долевому содержанию фракций в начальном штабеле, при этом разброс величины Рщ будет становиться все меньше и в пределе реализуется детерминированный процесс с dcp= dcp . С уменьшением v статистический разброс величин Рщ возрастает. Исследование влияния v и исходного гранулометрического состава штабеля на статистические характеристики малых объемов рассматривается ниже.
Имитационные процедуры, описанные в п. 2.3, обеспечивают получение dcp.j в заданном объеме v. Однако разработанный метод отличается громоздкостью: для каждой у-ой реализации черпания ковшом или нагребающей лапой необходимо поразрядно «комплектовать» объем v целым количеством кусков щ согласно биномиальному закону распределения; затем определять фактический случайный объем материала внутри «емкости» v, производить корректировку и определять dcp.f, далее, после очередного черпания изменять гранулометрический состав штабеля F{d) и повторять цикл вычислений.
Рассмотрим возможности упрощения описанной процедуры на основе гипотезы о нормальном распределении среднего размера куска в малом выделенном объеме v, если v « Ушпи Будем считать, что dcpj - случайная величина, распределение по нормальному закону с параметрами dcp.F и GCp.F, где dcp.F - математическое ожидание размера куска в штабеле с функцией распределения F(d); Gcp.F - среднеквадратическое отклонение случайной величины dcpj, у = 1,N также для горной массы с функцией распределения F(d).
На рисунке 2.7 представлены для сравнения гистограммы и плотности вероятности распределения кусков среднего размера для штабелей F4(d) - рисунок 2.7, а и F2(d) - рисунок 2.7, б. В каждой из реализаций совокупность случайных значений dcpi получена: ( 1 ) - с использованием ступенчатой процедуры через формирование объема v на основе биномиального распределения, [2 ) - прямым моделированием на основе нормального распределения (N - число черпаний, щ - число значений в данном разряде).
Как видно из визуального сопоставления гистограмм 1 и 2 и плотностей распределения J[dcp), прямое моделирование с использованием нормального закона распределения представляется вполне оправданным. Для статистической оценки возможности замены процедуры 1 на процедуру 2 для диапазона изменений функций F(d) - от Fi(d) до F (d) и Для малых выделенных объемов v = 0,2; 0,5; 0,9 м3 выполнено статистическое моделирование в среде MathCad и оценка гипотезы возможной замены процедур. Подробное изложение результатов приведено в приложении 3.
Для каждой выборки dcpj (АІ), полученной с использованием процедуры 1, после ввода массива размерностью TV («), проводилась сортировка по возрастанию значений dcpj(Aj), вычислялось математическое ожидание mA(dcpJ, ошибка в отклонении тА от генерального среднего, несмещенная оценка дисперсии DA и среднеквадратического отклонения sigA. Затем выполнялось построение гистограммы, для чего устанавливались минимальное и максимальное значения dj,mxn (xmin) и dJMAX (хтлх); принималось число интервалов разбиения т и размер интервала (dmax - dmm)/nij, определялось число значений dcpj, попадающих в данный интервал; далее производилось построение гистограммы для выборки 1.
Объем единичного захвата ковшом. Предельная вместимость ковша и объем ссыпания
Ковшовые погрузочные машины находят широкое применение при погрузке крепких крупнокусковых пород [99]. Относятся к числу машин периодического действия, формирующих объем черпания (объем захвата) в результате последовательного поциклового чередования процессов внедрения, зачерпывания, наполнения (с учетом ссыпания) и перемещения машины и ковша вне штабеля. В качестве объектов дальнейших исследований приняты машины групп 1ПГШ-5, МПК-3 и МПК-1000Т, имеющие в настоящее время наибольшее распространение и перспективу применения в обозримом будущем. В последние годы в мировой практике все более широкое применение находят машины с боковой разгрузкой ковша и поворотной телескопной рукоятью. Однако эти машины обладают значительной конструктивной сложностью и высокой стоимостью, поэтому в отечественной практике имеют пока ограниченное применение и рассматриваются как перспективные.
Величина единичного захвата ковшом V-, зависит от множества факторов, которые можно разделить на условия погрузки и совокупность параметров машины, ее приводов и погрузочного органа. Как показано выше, условия погрузки определяются свойствами штабеля, среди которых необходимо выделить свойства, имеющие стохастический характер, прежде всего, взаимодействующий с ковшом состав горной массы по крупности кусков. Влияние параметров машины проявляется, прежде всего, через ее конструктивную схему, которая определяется типом напорного механизма и способом разгрузки ковша.
Отметим, что реализуемая в каждом цикле черпания глубина внедрения, определяется не только напорными усилиями, включая динамическую составляющую, но и возможностями механизма зачерпывания. Поэтому при моделировании процесса погрузки необходимо учитывать ограничения, накладываемые силовыми и энергетическими возможностями двух основных механизмов.
Формирование объема захвата в конечной стадии цикла черпания зависит от траектории движения передней кромки ковша, возможностей совмещения процессов внедрения и зачерпывания, а также, в не меньшей степени, от потерь груза при заполнении ковша. Процессам ссыпания материала через боковые стороны ковша не уделялось должного внимания в расчетах производительности. Вместе с тем, как показали производственные наблюдения и теоретические расчеты, потери от ссыпания могут составлять более 50% геометрического объема ковша.
Поток единичных черпаний V-, представляет собой последовательность случайных чисел. Но формирование производительности ковшовой машины -это не только объемы черпаний, но и продолжительность циклов ТЦ.І, которые включают затраты времени на захват груза, перемещение машины (или погрузочного органа) к транспортному средству и обратно и разгрузку ковша. Величина Тцл в общем случае также является случайной, т.к. расстояния перемещения машины или ковша зависят от положения штабеля после очередного цикла, а оно, в свою очередь, определяется объемом черпания Vi.
Таким образом, чтобы сформировать на имитационной модели производительность ковшовой погрузочной машины за чистое время работы, необходимо рассмотреть в единстве процессы взаимодействия ковша со штабелем -внедрение, черпание, наполнение и перемещение машины (или погрузочного органа). Далее, в соответствии с общим алгоритмом (рисунок 2.1), необходимо выполнять преобразование потока черпаний Vfa) призабойным транспортным оборудованием. Для получения выходных характеристик ППТМ - производительности Q и удельной трудоемкости т за общее время погрузки на грузопоток накладываются затраты времени и трудозатраты вспомогательных операций.
Таким образом, поток единичных черпаний, формируемый ковшовой погрузочной машиной любого из рассматриваемых конструктивных типов, представляют собой случайные последовательности двух видов: чистое время погрузки Q4 как отношение этих величин; Q4 является, как ранее показано, одним из исходных данных, необходимых для расчета критериальных показателей процесса погрузки. Для построения модели эксплуатационной производительности следует учесть потери времени на вспомогательные операции и ликвидацию отказов.
Вопросам определения объемов черпания ковшом из штабеля посвящены исследования известных ученых - Г.В. Родионова, А.Д. Костылева, С.С. Музгина, П.А. Михирева, Г.Ш. Хазановича, О.П. Иванова, В.Г. Сильня, О.Д. Гагина, В.Д. Ерейского [34-65]. Разработаны методы расчета, базирующиеся в основном на обобщении результатов экспериментальных исследований. Созданы базовые модели сопротивлений внедрению WeH, моментов сопротивлений зачерпыванию М3, наполнения ковша Vk, а также методы расчета глубины внедрения S в динамическом процессе. Однако, использование эмпирических зависимостей lVeit(S), M3(S),
Vk{S,Tp) не позволяет определить реальный объем единичного захвата ковшом по следующим причинам. Во-первых, не учитывается влияние случайных факторов, в частности, размер куска перед кромками ковша. Во-вторых, опытные зависимости не увязаны в единую систему расчетных моделей, содержащих последовательность действий и необходимых силовых и энергетических ограничений, определяемых параметрами погрузочной машины. Таким образом, совокупность математических моделей для формирования объема единичного захвата, должна состоять из специальных соотношений и процедур: 1) построение зависимости сопротивлений внедрению ковша от глубины внедрения с учетом влияния технологических и конструктивных факторов - Wm{S); 2) методика расчета глубины внедрения ковша в штабель Sm под действием напорного усилия, развиваемого ходовым механизмом или независимым механизмом напора с учетом динамики процесса внедрения.
Математическая модель случайных объемов единичного захвата нагребающими лапами
Для решения систем уравнений (3.38)-(3.41) и (3.42) необходимо разделить движение механизма подъема ковша на этапы, определить начальные условия для каждого из уравнений по этапам, найти конкретные выражения для функций IKz, (фк), 1((рк) и выполнить другие преобразования.
В настоящее время ковшовые машины с жесткой связью двигателя механизма подъема барабана применяются редко. Наибольшее распространение имеют ШПМ с планетарно-фрикционной включающей муфтой типа 1ППН5. Поэтому дальнейший анализ динамики механизма подъема ковша выполнен для этого класса машин. При этом будем считать, что моменты инерции включающей муфты приведены к валу барабана; к этому же валу приведена и масса вращающихся частей двигателя и кинематически жестко связанных с этим масс редукторов. Тогда между Млир и ММфК справедливо соотношение
В этом выражении гб = const, а гк = /"к(фк), т.к. в процессе поворота ковша изменяется радиус (плечо) приложения тяговой силы Su.
Гидромеханический привод. Максимальный развиваемый момент механизма подъема ковша определяется, исходя из мощности двигателя Nde, работающего на механизм подъема, с учетом потерь в гидравлической и механической частях системы где пц - число гидроцилиндров механизма подъема; Ггц - усилие на токе гидроцилиндра, Н; огц - скорость выдвижения штока, м/с; г]ли - кпд механической части механизма подъема ковша; цг„ - КПД гидравлической части механизма подъема ковша; X - допустимая перегрузочная способность двигателя по моменту; гк - плечо силы, развиваемой гидроцилиндрами, относительно центра вращения ковша.
Скорость выдвижения штока иг1{ определяется по диаметру цилиндров (1цп и расходу насоса q„, по общеизвестным соотношениям. Как правило, для гидромеханического привода динамическими процессами пренебрегают.
Как показано ранее, одним из важнейших ограничивающих факторов при оценке ковшовой погрузочной машины по производительности, является максимальная глубина внедрения по силовым факторам механизма подъема ковша. Условие, которое реализует это требование, имеет вид: где Mj.max(Sen) - максимальный статический момент сопротивлений черпанию, представляющий собой сумму моментов от преодоления сопротивлений сдвигу и подъему горной массы; высчитывается по формулам (3.25)-(3.31); М„,к-момент сопротивления подъему порожнего ковша относительно оси вращения ковша для данной глубины внедрения, Мак -величина постоянная; &MXdU„(Se„) - дополнительная динамическая составляющая от действия сил инерции механизма подъема, включая ведомую часть привода, ковша и сдвигаемую горную массу.
Решение уравнения (3.45) и даст значение S3.max на которую допустимо внедрить ковш при раздельном черпании. Наибольшие трудности вызывает расчет динамической составляющей на основании решения дифференциальных уравнений (3.69) и (3.70). При оценке оборудования определение динамической составляющей затруднено не столько методически, сколько технически: необходимо иметь в распоряжении расчетчика значения моментов инерции, размеры плеч и т.д. Эти данные в техническом описании погрузочной машины не приводятся, а их вычисление известными методами весьма трудоемко.
Другой причиной высокой трудоемкости определения АМ3,дин (SeH) является необходимость многокритериального решения уравнений (3.41), (3.42) для различных фиксированных значений Sm с последовательным построением искомой зависимости AMxdun(Se„). Поэтому возникает стремление ограничиться приближенными методами с определением возможной погрешности. По-существу, необходимо определить инерционную составляющую ведомой части трансмиссии, включая вращающиеся части редуктора, барабан, ковш и горную массу, сдвигаемую при зачерпывании. Очевидно, что вращающиеся массы редуктора не обладают существенной величиной момента от сил инерции. Главные составляющие - это моменты от сил инерции ковша и сдвигаемо мой призмы. Эти массы получают кратковременное угловое ускорение — величина которого определяется скоростью включения фрикционной муфты.
Начало переходного процесса совпадает с включением фрикционной муфты, Мшр, возрастает (поз. 4), происходит выборка зазоров, провеса цепи в течение времени t .Ведущая часть трансмиссии воспринимает нагрузку, угловая скорость двигателя начинает падать (поз. 2), угловое ускорение - отрицательно (поз. 3).После выборки зазоров начинает разгон ведомая часть системы, включая ковш и сдвигаемую горную массу. Угловая скорость и угловое ускорение сначала возрастают (поз. 6 и 7), реализуется максимальный момент от сил инерции ковша и груза АМздшипах (поз. 7). Одновременно преодолевается момент сопротивлений зачерпыванию М3, достигающий максимума в некоторой точке (поз. 9). Сопротивление повороту ковша оказывает также момент от сил тяжести ковша (поз. 10).
Момент двигателя Мдп представляет собой сумму М3, Мпк и АМздши. Максимумы этих моментов не совпадают, поэтому зависимость M ,i(t) может иметь несколько локальных экстремумов (поз.4). В общем случае, как видно из диаграмм, максимальный момент на валу двигателя Мдп\ Мхтах+ М„,1стах+ + АМздш1.тах. Эта величина не должна превышать предельно допустимый момент двигателя по заданной мощности с учетом перегрузочной способности двигателя.
Похожие диссертации на Выбор рациональных вариантов проходческих погрузочно-транспортных модулей на основе моделирования рабочих процессов с учетом случайного характера внешних воздействий
