Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время в России с помощью открытого способа разработки добывается свыше 80% железной руды, более 35% угля. К 2030 году объемы добычи только угля планируется увеличить до 430 млн тонн в год, что составит на 25% больше текущего показателя. При добыче полезных ископаемых открытым способом используются в основном электрические карьерные экскаваторы на гусеничном ходу. Наиболее перспективной маркой таких машин является ЭКГ-18Р производства ООО «ИЗ-КАРТЭКС им. П.Г. Коробкова».
В условиях увеличения объемов добычи и с учетом ужесточающихся требований к обеспечению безопасности особое внимание уделяется качеству обучения и повышению общего уровня профессиональной подготовки персонала.
Проведение практической подготовки с использованием тренажеров позволяет сократить затраты на обучение и добиться высокого уровня квалификации в короткие сроки. Однако качество подготовки определяется точностью математической модели, входящей в состав тренажера и описывающей управляемый объект и его взаимодействие с окружающим миром.
Таким образом, разработка математической модели карьерного экскаватора, адекватно воспроизводящей работу машины в реальной рабочей обстановке, является актуальной задачей. Решение этой задачи позволило создать тренажер для подготовки операторов нового уровня, тем самым сократить время адаптации новых специалистов и понизить уровень аварийности и убытков при добыче.
Степень разработанности темы исследования. Ситуационный подход к математическому моделированию экскаваторов, широко распространенный в тренажеростроении, не позволяет достичь высокой степени соответствия результатов компьютерных вычислений натурным испытаниям машины. Разделение математической модели экскаватора на компоненты, разработка архитектуры комплекса программ, определяющей параллельное решение уравнений моделей-компонент, предоставили возможность воспроизведения
работы машины в режиме реального времени.
Цели и задачи. Целью работы является разработка математической модели карьерного экскаватора, встраиваемой в тренажер для подготовки операторов и описывающей параметры работы машины в режиме реального времени в широком диапазоне эксплуатационных и аварийных режимов работы с точностью, достаточной для целей обучения (на примере электрического карьерного экскаватора ЭКГ-18Р). Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
-
Анализ конструкции экскаватора и требований к подготовке операторов позволил сформулировать обобщенную структуру комплекса математических моделей и моделей подсистем машины как объекта управления на основе декомпозиции уравнений динамики с учетом особенностей уравнений подсистем.
-
Комплекс математических моделей объекта реализован на основе численных методов решения дифференциальных и алгебраических уравнений, ориентирован для систем реального времени. При этом учтены элементы силовых конструкций, а также электрические, пневматические и тепловые подсистемы карьерного экскаватора, работающие в широком диапазоне эксплуатационных и аварийных режимов объекта с точностью, достаточной для целей обучения.
-
Архитектура комплекса программ позволила определить взаимодействие численной модели с другими компонентами комплекса, в результате которого создана среда для тактильного взаимодействия оператора экскаватора с виртуальным окружением в режиме реального времени в широком диапазоне эксплуатационных и аварийных режимов работы.
-
Вычислительный эксперимент, который позволил определить оценки погрешности моделирования исследуемых процессов и подтвердил возможность применения комплекса моделей для подготовки операторов экскаваторов.
Научная новизна. В ходе анализа устройства экскаватора и требований к подготовке операторов создана новая математическая модель, основанная на декомпозиции, описывающая в режиме реального времени перемещение силовых конструкций, электрические, пневматические и тепловые системы карьерного
экскаватора при его взаимодействии с виртуальной окружающей средой. Для наиболее значимых фрагментов комплекса моделей предложен алгоритм решения нелинейных уравнений, использующий графовый алгоритм и позволяющий эффективно исключать лишние уравнения из системы перед применением численных методов. Предложены наиболее подходящие уравнения для новых типов ребер графа, чередующиеся системы уравнений динамики и последовательность их решения с целью описания параметров работы электрического экскаватора в установленных ограничениях шага по времени.
На базе математической модели разработан программный комплекс, реализующий численные методы решения систем уравнений в режиме реального времени с точностью, достаточной для воспроизведения параметров экскаватора в широком диапазоне эксплуатационных и аварийных режимов работы. Новизна подтверждена патентами и свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ.
Теоретическая и практическая значимость работы. Предложен метод
построения математической модели сложного многозвенного объекта,
разработана схема решения ее систем уравнений с учетом динамики объекта. Метод построения модели положен в основу создания тренажеров для подготовки операторов бульдозера ЧЕТРА Т-20, экскаватора одноковшового войскового, автомобильного крана, автомобилей КАМАЗ-5350 и МАЗ-543, установленных более чем в 48 учебных центрах в 4 странах мира. Экономический эффект от внедрения результатов работы за 2012–2015 год составил 177 713 000 рублей.
Методология и методы исследования. В диссертационной работе использовались методы механики твердого тела, термодинамики, численные методы решения алгебраических и дифференциальных уравнений.
Положения, выносимые на защиту.
1. Новая математическая модель карьерного экскаватора, основанная на декомпозиции модели машины, позволяющая выполнять моделирование динамики: силовых конструкций, электрической, пневматической и тепловой систем экскаватора при его взаимодействии с виртуальной окружающей средой в режиме реального времени в широком диапазоне эксплуатационных и аварийных
режимов работы с точностью, достаточной для целей обучения.
-
Эффективные численные методы разностного типа, алгоритмическая реализация и решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений математической модели для обеспечения вычислений в режиме реального времени на основе графового алгоритма и декомпозиции базовых уравнений движений экскаватора на логически-обоснованные фрагменты.
-
Программный комплекс, реализующий математические модели и обеспечивающий их взаимодействие с компонентами тренажера с целью создания виртуальной среды для воспроизведения эффективных тактильных связей оператора, необходимых для целей обучения.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
результатов обеспечивается применением методов математического
моделирования и современных компьютерных технологий, сравнением результатов моделирования с реальными экспериментальными данными, а также знаниями и опытом операторов карьерных экскаваторов, вовлеченных в процесс обучения, актами завода-изготовителя экскаватора.
Основные результаты работы были представлены на всероссийской научно-
технической конференции с участием иностранных специалистов
«Информационные технологии в реализации экологической стратегии развития
горнодобывающей отрасли» (Апатиты, 2017); международной
мультиконференции «Сетевое партнерство в науке, промышленности и
образовании» (Санкт-Петербург, 2016); международной научной конференции по
механике «Седьмые поляховские чтения» (Санкт-Петербург, 2015);
VII международной научно-практической конференции «Пожарная и аварийная
безопасность» (Иваново, 2012).
Личный вклад автора. Все положения, выносимые на защиту, получены лично автором.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 12 печатных работах, в числе которых 5 – в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ, 2 – в изданиях, входящих в международные реферативные базы данных
и системы цитирования Scopus, Springer; в 2 патентах на полезную модель и в 23 свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Объем работы составляет 149 страниц, из которых основного текста 113 страниц. Работа содержит 44 рисунка, 16 таблиц. Список литературы включает 111 наименований.