WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 |

«ФОРМИРОВАНИЕ КОМПЛЕКСОВ ГОРНЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Санкт-Петербург 2002 Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный горный ...»

-- [ Страница 1 ] --

Д.А. ЮНГМЕЙСТЕР

ФОРМИРОВАНИЕ

КОМПЛЕКСОВ

ГОРНЫХ МАШИН

НА ОСНОВЕ

МОРФОЛОГИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА

Санкт-Петербург

2002

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институтим. Г. В. Плеханова (технический университет) Д.А. ЮНГМЕЙСТЕР

ФОРМИРОВАНИЕ

КОМПЛЕКСОВ

ГОРНЫХ МАШИН

НА ОСНОВЕ

МОРФОЛОГИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА

Санкт-Петербург УДК 622. ББК 34. Ю Излагаются проблемы совершенствования конструкций добычных и проходческих комплексов. Приведен способ выбора квазиоптимальных конструкций альтернативных комплексов и методы определения их рациональных параметров. Представлены новые механо-математические модели, обоснования по выбору параметров горных машин и области их эффективного использования.

Монография предназначена для специалистов научноисследовательских институтов и заводов горного машиностроения и может быть рекомендована студентам старших курсов специальности 170100 “Горные машины и оборудование”.

Научный редактор проф. Р.Ф. Нагаев Рецензенты: проф. Ю.В.Громов (ВНИМИ), канд. тех. наук А.Н.Коровников (ОАО “Механобр-техника”).

Юнгмейстер Д.А.

Ю50. Формирование комплексов горных машин на основе морфологического анализа / Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2002. 142 с.

ISBN 5-94211-076-Х УДК 622. ББК 34. © Санкт-Петербургский горный ISBN 5-94211-076-Х институт им. Г.В. Плеханова, 2002 г.

ВВЕДЕНИЕ

Добывающая отрасль в Российской Федерации всегда играла ведущую роль в экономике, а горное машиностроение было направлено на создание разнообразной отечественной техники при необходимых объемах производства. Однако особенности политической ситуации 90-х гг. XX в. резко изменили положение – значительная доля заводов горного машиностроения оказалась за рубежом (Горловский, Ясиноватский, Краснолучский и др.); сложная экономическая ситуация не всегда позволяет даже благополучным с финансовой точки зрения горнодобывающим объединениям покупать дорогостоящую технику западных фирм. Эксплуатируемая техника в значительной степени изношена и устарела; двойные технологии для горной промышленности при использовании конверсионных мероприятий работают неэффективно. Кроме того, в разработке новых образцов горной техники четко наметился кризис идей. Все это вызывает необходимость проведения исследований с целью создания и освоения новых технологий и образцов отечественной техники, эффективность которых обосновывается на предпроектных стадиях. Так, например, в настоящее время кризис в разработке новых конструкций комплексов горных машин (ГМ) проявляется в отсутствии путей повышения производительности очистных механизированных комплексов (ОМК) традиционной компоновки: скорость комбайна часто ограничивается скоростью крепления; монтаж-демонтаж комплексов занимает значительную долю времени отработки столба; заметны трудности использования комплексов в сложных горно-геологических условиях.

Выявляется необходимость создания новых комплексов, альтернативных ОМК, особенно для отработки пластовых месторождений в усложненных горно-геологических условиях.

При этом в качестве добычной машины целесообразно применять универсальный проходческо-добычной комбайн, имеющий расширенную область применения и базирующийся на узлах, в том числе разработанных по технологиям ВПК.

Для снижения сроков и стоимости НИОКР и определения перспективных направлений создания новой горнодобывающей техники необходимо проведение исследований для формализации предпроектных стадий (техническое предложение, ТЭО); необходимы новые подходы к конструированию и новые идеи по разработке полезных ископаемых: САПР, ресурсные расчеты, параметрическая оптимизация, исследования новых технологических схем и способов разработки, в том числе морских месторождений.

Тенденции совершенствования существующей и перспективной горно-добывающей техники позволяют определить основные идеи и пути выбора или создания качественно новой техники. Известные методики определения оптимальной компоновки комплексов машин или оптимального соотношения параметров системы последовательно соединенных машин имеют существенные недостатки, что требует разработки новой методики выбора варианта компоновки комплекса из всех технически возможных для горно-добывающей промышленности, основанной на формализованном морфологическом анализе компоновок комплексов горных машин.

Это даст реальные решения по обоснованию типов конструкций, в том числе проходческо-добычных комплексов с высокопроизводительным транспортом; проходческо-добычных комбайнов универсальных (ПДКУ) с использованием узлов военной техники и специальной системы ведения горных работ;

конвейерного транспорта (многоприводные конвейеры (МПЛК) с промежуточными приводами повышенного тягового усилия);

добычной техники для разработки придонных месторождений Мирового океана (с использованием узлов и механизмов, конструкции которых отлажены и применяются в известных горных машинах, но приспособлены для подводных условий).

По каждому из направлений создания и совершенствования горной техники необходимо выполнение теоретических и экспериментальных работ, в том числе с использованием оригинальных программ для ЭВМ и стендовых испытаний основных узлов новых машин, анализа и синтеза качественно новых решений в проектировании добычного оборудования.

Глава 1. АНАЛИЗ ОБЩИХ НАПРАВЛЕНИЙ И

МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

КОМПЛЕКСОВ ГОРНЫХ МАШИН

1.1. ОЧИСТНЫЕ МЕХАНИЗИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Анализ использования и совершенствования работы очистных механизированных комплексов (ОМК) показывает, что они имеют очень высокую стоимость, и поэтому их применение целесообразно только для горно-геологических условий, позволяющих работать с высокой производительностью. Академик В.В. Ржевский указывал на утопичность традиционных взглядов о возможности более полной выемки запасов с минимумом потерь угля. Он считал, что следствием таких взглядов является возникновение экономически неэффективных и технически сложных решений по управлению кровлей, созданию мощных крепей, дорогостоящей и тяжелой техники угледобычи.

В частности было отмечено: мировой опыт показывает, что подземная выемка только до 40-60 % запасов с оставлением поддерживающих целиков (то есть потери заведомо планируются) во многом упрощает подземную угледобычу, особенно на пластах мощностью 1,5 м и более, и делает ее в несколько раз экономичнее и безопаснее; производительность труда растет в 24 раза [69]. Отработка камерным способом является альтернативой ОМК, при этом требуется разработка новых технологий и техники. В дальнейшем альтернативные технологии и комплексы будут называться альтернативными добычными комплексами (АДК).

В США и в Австралии на мощных пластах с благоприятными горно-геологическими условиями производительность ОМК достигает 15000 т в смену, при этом рекорд США составляет 28 000 т в смену. Поэтому на пластах, особенно при сложных горно-геологических условиях, где производительность ОМК не превышает 1500 т в смену, целесообразно использовать более дешевые, альтернативные ОМК средства, такие, например, как струговые модули, предлагаемые в Воркутинском филиале (ВФ) СПГГИ [16], или проходческо-добычные комбайны с системой ленточных конвейеров и камерной системой разработки. Альтернативные технология и техника ведения добычных работ технически и экономически оправданы при следующих условиях:

производительность 1000-1500 т в сутки (для тонких пластов);

невозможность эффективного использования дорогостоящих ОМК;

пласты с геологическими нарушениями;

наличие на горном предприятии большого объема забалансовых запасов полезного ископаемого (находящихся за контурами основных панелей или блоков и допускающих их разработку);

при разработке пластов, опасных по геогазодинамическим явлениям.

По объемам добычи в пределах России область применения таких специальных технологий может быть оценена в размере до 5 % от общей добычи угля, что составит (при добыче подземным способом в 1988 году – 350 млн т угля [69]) около 18 млн т в год.

Как указано в [26, 31, 34, 35, 69], существуют принципиальные сложности в совершенствовании конструкций горных машин по традиционным направлениям. Современные добычные комбайны, скорость подачи которых может быть 10 м/мин и более, часто не могут работать с максимальной производительностью, так как их скорость ограничивается скоростью крепления, даже в благоприятных горно-геологических условиях. В табл. 1.1 указаны недостатки конструкций ОМК и дан прогноз эффективности их преодоления.

Выбор и обоснование оптимальных структурных схем АДК, которые должны выполняться в направлении устранения существующих недостатков серийных ОМК (рис. 1.1), особенно таких, как несоответствие по производительности крепи, комбайна и конвейера; невозможность использования ОМК в сложных горно-геологических условиях (сбросы пласта, интенсивное пучение почвы и др.), предопределяет необходимость разработки АДК, включающего следующие технические средства:

мощный проходческо-добычной комбайн фронтального действия с навесным оборудованием для упрощенных вариантов крепления;

транспортные средства, обладающие большим резервом по производительности, характеризующиеся малой металлоемкостью и простотой монтажа, способные работать в выработках любого сечения и с любыми соотношениями уклонов.

Такие АДК могут широко применяться и при проходке выработок, и в камерных добычных системах, т.е. обладают необходимой универсальностью.

Недостатки конструкции ОМК и возможные пути их преодоления № Недостатки конструкций и п/п эксплуатации комплексов Интенсификация работ в ог- Применение камерных систем раниченном пространстве по Применение фронтальных агрегатов Три различные машины в ОМК создают сложности при автоматизации комплекса в Сложности в проведении концевых операций Высокие металлоемкость и В обзорных работах, например [21, 69, 83], указывается, что главным направлением совершенствования комбайновой добычи можно считать создание комбайнов с поперечным расположением электродвигателей исполнительного органа (ИО) для пластов мощностью 1,2-4 м, отказ от цепного гидравлического привода подачи путем замены его на электромеханический, компоновка ИО с планетарным редуктором и соосно расположенным электродвигателем [96].

ОЧИСТНЫЕ МЕХАНИЗИРОВАННЫЕ

КОМПЛЕКСЫ

Крепление (крепь) Отбойка (комбайн) Транспорт (конвейер) Низкая скорость креп- Наличие людей в Ограничение Большой объм под- Большая длительность Низкая наджность готовительных работ концевых операций продолжительность рации, пылевыделения монтажных работ Невозможность по- Сложность широкой вышения усилия рас- унификации Высокая стоимость Невозможность ис- Сложность удержания пользования в слож- кровли над корпусом ных условиях Рис. 1.1 Недостатки основных машин ОМК традиционной компоновки Фронтальная технология выемки [16, 31, 73], которая имеет значительное преимущество перед традиционной выемкой ОМК, заключающееся в высокоэффективном резании одиночными резцами в направлении напластования в отжатой зоне, не нашли широкого применения. Это связано с невозможностью в настоящее время освоить сложные и трудоемкие заказы по созданию новой горной техники по экономическим соображениям. Фронтальные агрегаты, предложенные, например, в ВФ СПГГИ требуют разработки уникальных новых маслостанций, систем управления и призабойных транспортных средств.

До сих пор повсеместно применяются методики расчета параметров добычных комбайнов, основанные на работах проф. Е.З. Позина [60], представленные в виде ОСТов [54 и др.].

Эти методики используют понятие сопротивляемости угля резанию, причем ее величина в процессе расчетов принимается неизменной. В некоторых случаях это противоречит фактической зависимости прочности породы от скорости ее деформирования [27, 50, 84], поэтому актуальной задачей является разработка универсальной методики, позволяющей учитывать фактическую прочность породы, зависящую от режимных параметров комбайна.

В настоящее время известно несколько различных методик по определению усилия на остром резце Z0 ГМ при разрушении пород, крепость которых не превышает 10 МПа. Все эти методики имеют различные области применения, опираются на разные параметры, в них по-разному представлен такой важный показатель как крепость породы. Известна зависимость Z0 от контактной прочности и ряда других параметров [33]. В формуле ЦНИИПодземмаш для породы также используется контактная прочность, а в формуле того же института для угля применяется сопротивляемость угля резанию Aр. Как уже отмечалось, наиболее известна методика ИГД им. А.А. Скочинского [54, 60], где также применяется Aр.

В работе [106] представлены рисунки с указанием расчетной величины силы резания на резце в зависимости от скорости подачи Vп, рассчитанные для различных условий. Скорость подачи Vп представлена в формулах, по которым строились графики, в неявном виде, так как она линейно зависит от толщины стружки h, причем коэффициент пропорциональности может быть выбран одинаковым для всех указанных методик.

Расчеты производились для резца РКС-2 при коэффициентах обнажения забоя Кз и отжима Кот, равными единице, при шаге резания t = 5 см, числе оборотов n = 1 с-1, при углах наклона резцов в плоскости резания, равных нулю.

Процесс разрушения горной породы режущим инструментом добычных машин подвержен влиянию большого числа факторов, которые в настоящее время учитываются с помощью эмпирических формул. Расчеты, выполненные по различным методикам, показывают большой разброс значений силы на резце в зависимости от скорости подачи при прочих равных условиях.

Таким образом, расчет ГМ, в том числе моделирование работы их исполнительных органов, целесообразно производить с использованием либо методики [54], либо уточненной обобщенной методики.

Мировая практика показывает, что комбайновая проходка выработок позволяет значительно повысить безопасность и комфортность труда, при этом трудоемкость снижается почти в 2 раза, а скорость проходки возрастает почти в 3 раза в сравнении с БВР [66]. За рубежом широко используются тяжелые проходческие комбайны с массой до 120 т и мощностью ИО до 400 кВт [88]. На шахтах Германии 67 % всех комбайнов составляют комбайны тяжелого типа, с помощью которых осуществляется проведение выработок по породам повышенной крепости.

Комбайны избирательного действия имеют ограниченные возможности совершенствования конструкции, при этом необходимость возведения крепи значительно снижает теоретическую производительность комбайна по отбойке, механический способ отделения породы от массива отграничен крепостью породы до f = 7…8. Кроме того, комбайновая проходка выработок по углю при сложном строении пласта вызывает сложности при транспортировке отбитой горной массы (при больших уклонах невозможно применение самоходных вагонов, ленточные конвейеры при больших перепадах пласта угля по высоте требуют установки дополнительных устройств для удержания ленты на ставе или сокращения длины конвейеров в одном ставе, то есть транспортировки горной массы каскадом ленточных конвейеров). На рис. 1.2 представлены факторы, ограничивающие возможность применения комбайновых комплексов традиционного исполнения. Как указывается в работах [57, 93], где дается анализ тенденций развития проходческих комбайнов избирательного действия, принцип механического разрушения себя исчерпал и необходима разработка новой техники при использовании иных принципов разрушения (использование комбинированных способов): ударно-импульсного, механо-гидравлического и др.

Например, в Англии фирмами «Доско» и «Андерсон»

испытаны комбайны, оборудованные системами водонапорных установок; при этом были применены уникальные детали, улучшающие характеристики высоконапорной струи для интенсификации разрушения породы: сопла из искусственного сапфира, каналы для подвода воды, покрытые никелем, и др. Проведенные испытания показали рост способности комбайнов по разрушению породы приблизительно в 2 раза (появляется возможность разрушать породы крепостью до 13), пылеобразование снижается примерно на 70 %, устраняются возможности искрообразования [93]. Однако гидромеханический способ разрушения имеет недостатки: значительное повышение удельных энергозатрат на разрушение, наличие водяной завесы вокруг коронки, значительное усложнение конструкции комбайнов. В области совершенствования конструкций с механогидравлическими резцами известные работы выполнены проф. В.А. Бреннером в ТГУ [10], при этом конструкции ИО и насосные системы отличаются более простой конструкцией, чем зарубежные аналоги. Также разработкой новых комбайнов успешно занимаются проф. Л.С. Ушаков [91] и др. В ДонГТУ предложена конструкция проходческого комплекса, где за базу принят крепеустановщик с магазинами арок крепи, манипуляторами и гидроцилиндрами перемещения, при этом исполнительный орган по отбойке породы представляет собой поворотную рукоять со шнеком [46].

Реальные машины, о которых говорилось выше, не используют дополнительных средств для снижения крепости пород, а также на них не предусмотрены устройства для снижения вероятности проявления динамических и газодинамических явлений (ДЯ и ГДЯ); кроме того, в комплексах не обосновывается конструкция транспортирующей машины в случае применения их с большей производительностью (более 10 т/мин).

ПРОХОДЧЕСКИЕ КОМБАЙНОВЫЕ

КОМПЛЕКСЫ

Крепление (крепь) Отбойка (комбайн) Транспорт (конвейер) производительности крепости производительности комбайна Рис. 1.2. Факторы, ограничивающие возможность применения проходческих комбайновых комплексов традиционного исполнения Комбайны с поперечно-режущими ИО обычно используются при работе по крепким породам, для разработки пород малой крепости целесообразнее применять комбайны с продольно-режущими ИО. Комбайны иностранных фирм оборудуются дополнительными устройствами для механизации вспомогательных работ: монтажа крепежных рам, анкеров, вентиляторов и др.

В настоящее время на добывающих предприятиях наблюдается постоянное усложнение горно-геологических условий, особенно при проведении проходческих работ, увеличиваются глубина разработки, крепость пород, температура шахтного воздуха и др. Поэтому необходимо постоянное качественное совершенствование проходческих комбайнов.

Как указано в работе [88], целесообразно применять вместо существующего большого числа наименований и типоразмеров проходческих комбайнов типажный ряд из четырех типоразмеров комбайнов, причем за основу (главный параметр оптимизации) предложено принять мощность привода ИО. Так, институтом Гипроуглемаш созданы новые комбайны КП-15, КП-20, КП-25 и КП-60. Предполагается [88, 98], что внедрение на шахтах РФ этих комбайнов позволит повысить до 70 % уровень комбайновой проходки.

АДК, включающие проходческо-добычной универсальный комбайн (ПДКУ), структурная схема которых составлена для сложных горно-геологических условий, должны обладать высокой производительностью: не менее 10 м3/мин по углю или до 3 м3/мин при крепости пород f = 7...8, поэтому выбор транспортирующей машины, способной работать с такой производительностью, должен удовлетворять следующим требованиям [29, 63]:

запас по производительности не менее 20 % от максимальной производительности комбайна;

непрерывные во времени грузопотоки (непрерывные средства транспорта);

габариты, способные вписаться в выработки малых сечений и различных форм;

отсутствие вредного влияния на окружающую среду (шахтную атмосферу) и обслуживающий персонал;

мобильность, универсальность, простота монтажа;

возможность автоматизации работ по отбойке горной массы, ее транспортировке из призабойного пространства и креплению выработки.

Из перечня необходимых требований следует, что все разновидности самоходных транспортных средств не способны их удовлетворить, так как не выполняются требования по повышенной маневренности, универсальности, простоте автоматизации и др.

Скребковый конвейер и скреперные установки также не отвечают требованиям, позволяющим включать их в состав современных АДК, так как с их помощью невозможно реализовать задачи мобильности и простоты монтажа.

В полной мере этим требованиям отвечают только ленточные конвейеры, особенно многоприводные, так как этот вид транспорта позволяет при любой производительности просто вписывать установку в сечение выработки; их приводы имеют малые габариты; удлинение (наращивание) става можно производить достаточно просто и быстро; отсутствуют перегрузочные устройства; установки могут работать в выработках, пройденных по пластам со сложной гипсометрией.

Повышение производительности добычных участков, длины транспортирования, требований к качеству транспортируемого материала обусловливает рассмотрение в качестве основных следующие виды подземного транспорта: рельсовый локомотивный и, особенно, конвейерный [79]. Конвейерный транспорт, в отличие от локомотивного, обеспечивает повышение технико-экономической эффективности с ростом производительности [15, 58, 59, 79]. Скребковые конвейеры как основное средство доставки материала в составе ОМК в последнее время являются мощными установками со следующими параметрами: производительность более 1000 т/ч, длина более 200 м.

При дальнейшем увеличении грузопотоков в ОМК, к сожалению, резко проявляются недостатки скребковых конвейеров, связанные со способом перемещения груза (волочение): повышенные силы сопротивления движению; чрезмерные энергозатраты на транспортирование; низкий срок службы, вследствие износа; переизмельчение материала. Это требует поиска новых, альтернативных средств призабойного транспорта, а также совершенствования конструкций скребковых конвейеров, например, путем покрытия тяговых цепей низкофрикционным материалом, использованием прочных и износостойких синтетических материалов, что, однако, неизбежно вызовет увеличение стоимости конвейеров.

На рудниках скреперная доставка широко заменяется на самоходный транспорт [58, 69, 79]: самоходные вагоны и ковшовые погрузчики с грузоподъемностью 25 т используются на рудниках Норильска, ПО “Апатит” и др. Самоходный транспорт, однако, обладает существенными недостатками:

ограниченной производительностью (до 800 т в смену);

высокими стоимостью и эксплуатационными затратами (расход шин, топлива, необходимость проветривания выработок и т.д.).

В связи с этим до сих пор не решена проблема замены цикличного транспорта на рудниках на непрерывный, способный транспортировать крупнокусковой материал. В этом направлении известны работы института “Гипроникель” [53], разработавшего ленточно-тележечные конвейеры и мощные вибропитатели. Вибротранспорт, как показано в работе [18], имеет большие перспективы при разработке нетрадиционных способов транспортирования.

Совершенствование конвейерного транспорта, как показывает анализ литературных источников [79], идет по следующим направлениям:

многократное удлинение телескопической части;

установка промежуточных приводов [14, 85, 86];

применение опор скольжения;

использование высокопрочных синтетических лент на основе арамида.

Использование в качестве промежуточных приводов обычных барабанных не имеет перспектив широкого использования, так как обычные барабанные приводы отрицательно влияют на эксплуатационные качества протяженных ленточных конвейеров, а именно:

требуются перегрузочные пункты, где имеет место переизмельчение материала;

невозможно их использование при большой длине (большом натяжении несущей ленты), так как на каждом приводе наблюдается дополнительное повышение сопротивления движению ленты;

наличие большого числа промежуточных барабанных приводов повышает вероятность расслоения ленты в результате огибания барабанов, что значительно снижает срок службы несущей ленты.

Локомотивный транспорт, вытесняемый конвейерным, сохраняется в магистральных горизонтальных слабонаклонных выработках; его совершенствование идет по пути повышения вместимости вагонеток с донной разгрузкой, создания составов из шарнирно-соединенных секций с погрузкой на ходу, применения электровозов от сети повышенной частоты [79].

В качестве транспорта, в том числе и вертикального, используется гидротранспорт или подъем материала в водовоздушной струе так называемыми эрлифтами. Эти виды транспорта используются при добыче полезных ископаемых со дна моря [17, 24].

1.4. ГОРНО-ДОБЫВАЮЩИЕ МАШИНЫ

НЕТРАДИЦИОННОГО ИСПОЛНЕНИЯ

Анализ литературных источников показывает возможность создания альтернативных добычных комплексов (АДК) на основе технической реализации новых приоритетных направлений фундаментальных исследований в области горного дела [4, 43, 62, 69]:

1. Скважинные способы добычи угля или продуктов, получаемых из него.

2. Сжигание под землей полезного ископаемого – технология комплексного извлечения горючего газа и тепловой энергии “Угле-газ”, называемой также подземной газификацией угля (ПГУ). Станции ПГУ успешно действуют в Кузбассе, Средней Азии, Туле.

3. Технология добычи углеводородов на основе гидрогенизации подземных твердых ископаемых за счет снижения прочности и изменения химико-физического состояния угля в результате физического, химического и микробиологического воздействия на пласт. Такие технологии находятся в стадии лабораторных исследований [80].

В последнее время предлагаются весьма различные способы получения новых видов топлива, в том числе путем сжижения или газификации углей [79]. Теоретически в качестве альтернативы существующим методам механической добычи полезных ископаемых может быть предложен некоторый гипотетический способ добычи, например, угля, с помощью его сжижения или гидрогенизации в подземных условиях. Это потребует разработки совершенно нового класса машин, работающих при высоких температурах (до 600 С), воздействии на уголь различных по химическому составу катализаторов (железа, йода, соединений молибдена и никеля и др.), а также повышенного давления, ядерного магнитного резонанса и т.д. Структурные модели АДК, основанные на перечисленных выше способах, в настоящее время трудно поддаются точному описанию на уровне отдельных аппаратов и машин. Поэтому в настоящей работе АДК этого класса рассматриваться не будут.

Последние 30 лет интенсивно разрабатывались принципы создания новых технологий и их технические реализации по разработке месторождений полезных ископаемых, расположенных на дне Мирового океана [51]. К сожалению, в настоящее время большинство таких работ из-за недостатка финансирования выполняется не в полном объеме. В настоящее время разработана классификация технических средств, способных выполнять основные функции при создании глубоководных добычных комплексов (ГДК) для различных типов пород, глубины моря и условий эксплуатации, данная классификация основана на результатах анализа работ институтов “ВНИИПрозолото” [24, 41], МГГУ [11, 51, 70], СПГГИ [7, 47, 89, 90], и других исследователей [48].

Как показал анализ вариантов ГДК [24, 108], комплексы оборудования для добычи полезных ископаемых на морском дне всегда включают донные агрегаты для переноса по заданным траекториям добычных ИО, выполняющих основные технологические операции по добыче полезных ископаемых (разрушение, захват, транспортирование и передача в главную транспортную систему). Анализ донных агрегатов показал перспективность использования шагающих машин [89], способных перемещать добычные ИО при различной несущей способности грунтов и требуемых подводных технологий ведения добычных работ.

Как следует из классификации, для обеспечения работы придонных станций (машин) необходимо использовать технологические транспортные системы (ТТС), которые могут быть модернизированы в добычные транспортные системы (ДТС). ТТС необходимы для обеспечения спуска и подъема сменных модулей придонной станции (машины) [28]. ДТС необходимы для непрерывной транспортировки полезного ископаемого из бункера, находящегося на придонной станции (машине). Известно, что во многих случаях, особенно для больших глубин, именно создание работоспособной ДТС является слабым местом при разработке ГДК [24, 76]. Глубоководные драги (драги Масуды), как отмечалось в [51], при обеспечении ковшей улучшенными гидродинамическими средствами, эффективнее трубопроводных ДТС, так как в последних, кроме полезного ископаемого, необходимо перемещать средство-носитель (воздух, воду, летучие среды и т.д.). Именно канатно-ковшовые подъемники, устанавливаемые на надводных кораблях, являются наиболее простым ГДК и будут использоваться в ближайшее время для разработки конкреций и илов шельфа. Перспективными также могут являться следующие ДТС:

канатные или цепные драги с высокими гидродинамическими свойствами для снижения сопротивления движению ковшей и разведению ветвей драги в разные стороны;

ленточные элеваторы, снабженные легкими и прочными лентами с основой из синтетических материалов – аромидов, имеющих “карманы”, наполняемые либо дискретными источниками газовых пузырей, либо связанными в определенных местах с централизованной системой подачи воздуха; даже наземные ленточные элеваторы, где невозможно использование архимедовой силы и гидродинамики, имеют высоту подъема до 300 м, поэтому для шельфа создание такой установки возможно и в настоящее время;

многочерпаковые драги с промежуточными приводами, которые рассредоточены по несущему канату, на котором они закреплены и связаны с поплавковыми системами; ленты обеих ветвей драги в местах установки привода прижимаются к тяговым лентам, а в местах без приводов удерживаются около каната. Такая ДТС применима для больших глубин, так как натяжение в несущих лентах драги разгружается тяговыми; здесь также возможно использование “зонтиковых” и тяговых лент для создания лент с нулевой плавучестью;

ДТС в виде “зонтиковой” системы, у которой несущим органом является непрерывно замкнутый канат с ковшами и раскрывающимися “зонтиками”, наполняемыми газом или материалами с плотностью меньшей, чем у воды;

транспорт в легких средах – подъемники в виде двух концентрично расположенных труб [11, 24], в центральную полость которых закачиваются полые стеклошарики или парафин, нефть, керосин и т.д., а в полости между наружной и внутренней трубой вверх движется пульпа – смесь полезного ископаемого, воды и легкой среды.

Очевидно, что в ближайшее время могут быть разработаны добычные комплексы для малых глубин (шельфа), способные конкурировать с шахтами или рудниками, добывающими однотипный материал на материке, так как в некоторых случаях это окажется экономически более целесообразным. При этом потребуется создание уникальных машин, связанных в сложнейший комплекс.

1.5. АНАЛИЗ МЕТОДИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ВЫБОРА

ОПТИМАЛЬНЫХ КОМПОНОВОК НОВЫХ ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ

Работы таких ученых, как Ю.Д. Арсеньев, В.И. Солод, А.С. Бурчаков, В.М. Рачек, В.И. Морозов и др. посвящены разработке методов выбора оптимальных компоновок новых комплексов машин.

Так, в работах Ю.Д. Арсеньева [5] предложен метод базовой точки, однако этот метод не позволяет учитывать в анализе неформализованные критерии, такие как, например, безопасность ведения работ, экологическая чистота и т.д. Метод базовой точки позволяет только производить параметрическую оптимизацию по физическим параметрам с переходом на экономические функционалы.

В работах В.М. Рачека [67] и сходных с ними работах В.И. Морозова рассматриваются методы выбора оптимальных конструкций комплексов машин по минимуму пооперационных удельных энергозатрат за цикл работы добычного комплекса.

При этом необходимы данные по комплексу-прототипу. Такие методы учитывают только энергозатраты и не учитывают другие показатели работы машин.

Во многих работах, таких, например, как [2, 5, 9, 44, 74], рассматривается многокритериальная оценка эффективности использования объектов (машин) при известных корреляционной связи между критериями, целевой функции по отдельным критериям и функциональной зависимости между физическими и экономическими параметрами. Однако функциональная связь между техническими и экономическими параметрами почти всегда носит весьма неустойчивый характер. Она зависит от экономической стабильности отраслей промышленности, времени и объема производства, поэтому прогнозы эффективности использования машин такими методами не всегда могут быть достоверными и всеобъемлющими.

Выбор оптимального типа комплекса во многих работах производится с помощью метода экспертных оценок, применение которого считается субъективным [65]. Для повышения объективности такого метода используют различные способы, такие как тщательный подбор экспертов, использование коэффициента конкордации и др.

В работах А.С. Бурчакова [12, 13] и других исследователей, посвященных обоснованию способов ведения горных работ и синтезу новых технических средств для их осуществления предлагается обрабатывать варианты реализации новых технологий с помощью графов. Так, в [73] предложено на основании классификации технологических схем флангово-фронтальной и фронтальной выемки с применением выемочных машин фронтальных (ВМФ) выбирать оптимальный вариант по рациональному числу выемочных машин с учетом фактора надежности с использованием многоступенчатой схемы компоновки варианта.

Однако, в этих работах не указываются принципы отбрасывания неэффективных вариантов и выбора оптимального. Разработанные конструкции ВМФ1 и ВМФ2 могут рассматриваться как аналоги разрабатываемого в настоящее время в ВФ СПГГИ фронтального агрегата (о котором говорилось выше) и имеют схожие недостатки.

Выбору решения изобретательских задач посвящены многочисленные работы Г.С. Альтшуллера [3], в которых предлагается использовать для этих целей так называемую теорию решения изобретательских задач (ТРИЗ), основанной на алгоритме решения изобретательских задач (АРИЗ).

Г.С. Альтшуллера направлены, в основном, на решение чисто конструкторских задач, не позволяют одновременно выбирать оптимальные технологические, технические и экономические параметры объекта. Кроме того, ТРИЗ является сводом правил, а не конкретной математической процедурой, поэтому процесс выбора оптимального варианта объекта не совмещен с решением конкретных технических задач по расчету фактических параметров машин.

За последнее десятилетие интенсивно разрабатывается новое направление в программотехнике – CASE [25]. СASEтехнология универсальна по области применения и является методологией анализа сложных систем, в том числе систем программного обеспечения. Однако, применение CASE для решения конструкторских задач осложнено отсутствием баз данных и сложностью совмещения процедур CASE-анализа и компьютерных программ по расчету технических параметров машин.

А.И. Половинкин [61], научно обосновывают высокую эффективность использования морфологического анализа для решения задач инженерного творчества, в том числе инженерного конструирования, однако, рассматривается, как правило, качественная сторона проблемы без количественных оценок эффективности использования рекомендуемых вариантов.

Глава 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА ДЛЯ ВЫБОРА НОВЫХ КОМПЛЕКСОВ

ГОРНЫХ МАШИН

2.1. ПРОБЛЕМА И ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ

ИНЖЕНЕРНОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ

Выбор принципиально новых конструкций комплексов оборудования требует поиска путей формирования процессов разработки идей новых конструкций. Этот подход нужен при создании интеллектуальных САПР и систем инженерного конструирования, внедрение которых дало бы возможность значительно сократить сроки подготовки документации по поисковым НИР и ТЭО новых образцов комплексов машин, резко сократить время выпуска нового оборудования, снизить риск разработки морально устаревших образцов [97, 107].

Проблема создания формализованных систем конструирования связана с использованием, формализацией и доведением до инженерного применения одного из методов прогнозирования [94]. Известно [65], что методы прогнозирования делятся на интуитивные и формализованные. Интуитивное прогнозирование применяется для объектов либо слишком простых, либо таких сложных, что аналитический учет всех факторов невозможен. В таких случаях прибегают к опросу экспертов; возможны индивидуальные и коллективные экспертные оценки. Структурные взаимосвязи между объектами, явлениями и концепциями целесообразно исследовать с помощью морфологического анализа, который относится к группе системно-структурных методов прогнозирования. Наиболее сложным моментом морфологического анализа, как указано в [65], является определение конкретных решений задач или выбор рациональных вариантов при заданных целях с точки зрения их функциональной ценности.

Процедура формализации поиска идеи облика новых комплексов горных машин при использовании новейших технологий и машин (агрегатов), не апробированных на практике, требует применения разновидности экспертной системы, основанной на комплексном, морфологическом анализе структурнорасчлененной схемы нового комплекса (машины). Эта процедура должна включать в себя морфологический анализ (например, по методу Цвикки [111]) и отбор с помощью специальной (например, экспертной) системы наиболее перспективных вариантов решения конкретной задачи. Все алгоритмы должны легко реализовываться в виде программ для компьютерной обработки при сведении к минимуму субъективности экспертных оценок с помощью специального математического аппарата.

Создание нового комплекса машин или машины в настоящее время регламентировано ГОСТами, где определена последовательность этапов:

НИР, патентный поиск;

техническое задание (ТЗ);

техпредложение (варианты реализации ТЗ, ТЭО);

эскизный проект;

рабочий проект.

Процесс разработки конструкторской документации длительный и дорогостоящий. Часто ошибки в его начале (на стадии НИР-ТЭО) приводят к созданию физически новой, но морально устаревшей машины. При широком внедрении САПР и ЭВМ становится возможным значительно расширить и углубить первоначальный этап разработки, смоделировать работу машины, сделать правильный выбор ее структурной модели и компоновки, обосновать необходимость создания и область применения.

Экономико-математическое и имитационное моделирование оправдано в качестве инструмента САПР, но данные виды моделирования имеют ряд недостатков:

1. Нельзя оценить эффективность создания принципиально новых машин, так как в моделях очень сложно использовать описание несуществующих процессов или узлов (машин).

2. Не учитывают экологические последствия использования сложной, крупномасштабной техники в незагрязненных природных условиях.

3. Невозможно точно определить величины исходных параметров для ввода в ЭВМ при описании сложных стохастических процессов (часто при выполнении сложных расчетов доля ошибок при вводе в ЭВМ исходных данных доходит до 75 %).

4. Весьма сложно обосновывать или моделировать конверсионные экономичные и ресурсосберегающие технологии изготовления комплексов машин, выпуск которых может производиться заводами-автоматами в течение многих лет, так как учет опыта эксплуатации, доводка машины часто накладывают на процесс моделирования непреодолимые трудности. Поэтому не случайно появление нового типа вычислительных систем – интеллектуальных САПР и экспертных систем. Такие системы для горного машиностроения могли бы явиться начальным звеном НИР, формализирующим процесс генерации идей новых машин и связующим звеном во всех САПР при разработке принципиально новых сложных комплексов машин.

А.А. Скочинского, САПР “Крепь” МГГУ, САПР “Комбайн” СПГГИ (ТУ) и другие позволяют оптимизировать конструкции существующих машин, но не позволяют генерировать идеи новых конструкций.

Очевидна необходимость разработки САПР эвристического этапа НИР – гибридной системы или системы инженерного конструирования (по проф. Д.А. Поспелову), в дальнейшем будем сокращенно называть ее СИНК (SEND). Использование СИНК требуется перед каждой формализацией идеи новой машины или обоснования ее структурной модели, для обращения к САПР более низкого уровня. Структура взаимодействия СИНК и САПР показана на рис. 2.1 (по проф. В.М. Рачеку [67]).

Пример взаимодействия СИНК и САПР горного машиностроения показан на рис. 2.2. Универсальная СИНК должна быть согласована с технической политикой промышленности и должна быть направлена на решение конкретной задачи, характеризующей условия и исходные предпосылки технического перевооружения промышленности, в том числе создание новой техники. На рис. 2.3 показана схема увязки задач для создания новых АДК.

Формализация идеи машины и Анализ результатов проектирования на соответствие цели Рис. 2.1. Схема взаимодействия СИНК и САПР

САПР САПР САПР

СИНК СИНК СИНК СИНК

САПР САПР САПР САПР САПР

“Крепь” “Ком- “Кон- “Откатка” “Самоходное

САПР САПР

Рис. 2.2. Пример взаимодействия СИНК и САПР для горной промышленности характеристик внешних и горногеологических условий

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОЛИТИКА

ЗАДАЧИ

горноусловий с новыми характеристиками, геологических характеристиками, состоящих из новых данными харак- параметрами теристиками, состоящих из известных машин с новыми технического предложения и бизнес-плана Разработка Рис. 2.3. Схема увязки задач для создания новых АДК.

2.2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА

Укрупненная блок-схема работы СИНК показана на рис.

2.4. В блоках 1 и 3 (рис. 2.4) при формулировке цели использования СИНК и при применении экспертных или других систем с обобщенной структурой учета параметров должно быть регламентировано следующее:

1. Производительность АДК (или добычной машины):

сравниваемые АДК должны иметь близкие по значению производительности и превышать производительность прототипа;

Q 10 т/ч – геолого-разведочные машины; Q = 10100 т/ч – проходческие или строительные машины; Q 100 т/ч – добычные машины.

2. Условия применения (способ разработки) АДК:

разработка угольных месторождений (шахта или разрез);

разработка рудных месторождений (рудник или карьер);

3. Выбор прототипа – комплекса машин современного уровня, для которого имеется опыт эксплуатации в аналогичных или близких условиях. Определяются важнейшие параметры прототипа, анализируются и выделяются основные функции (операции), выполняемые комплексом и его узлами (машинами).

Сравнение всех вариантов АДК необходимо производить с таким прототипом. После выбора варианта-прототипа a ( a1, a2,...,an ) составляется матрица A0, элементы которой aij являются абсолютными величинами j-го параметра i-й функции прототипа. Матрица имеет размерность kn, где k - число параметров, характеризующих работу прототипа, а n - число функций. Алгоритм развернутого морфологического анализа дан в табл. 2.1.

Обозначение в общем виде (r1, r2,... rj,... rm) ri Fi, сле разбора аналогов ана- ная морфологическая таб- ния и упрощения

ТАБЛИЦА

МОРФОЛОГИЧЕСКОГО

Банк вариантов 3-го варианта по технологии Разработка морфологических таблиц, Сравнение по узлам (машинам) и Точное сравнение альтернативных вариантов по 4. Уровень решаемой задачи (см. рис. 2.3) – обоснование в соответствии с современной технической политикой необходимой глубины функций создаваемого нового АДК, то есть устанавливается возможность использования эффективных, в том числе и зарубежных машин, или необходимость модернизации существующих, или разработка принципиально новых.

Разбиение сложных объектов на детали (например, АДК – на машины, функции – на операции) позволяет вместо анализа сложных объектов решать элементарные задачи на уровне “лучше-хуже” для упрощенных объектов сравнения и заменять интуитивные решения фактическими отношениями.

В блоке 2 (рис. 2.4) рассматривается необходимость анализа узлов (машин) по следующим критериям: минимальной стоимости, минимальной энергоемкости, максимальной надежности, максимальной экологической чистоты и др. С привлечением экспертов образуются шкалы соотношения критериев (приоритетов функций) и шкалы соотношения групп по каждому критерию (приоритетов параметров).

Возможен отказ от принципа аддитивности при образовании общей оценки эффективности.

В блоке 4 (рис. 2.4) образуется таблица морфологического анализа, например, по Цвикки [65, 111], для изучения путей создания новых структурных моделей комплексов. По методу Цвикки, весь процесс, выполняемый комплексом машин, разбивается на ряд укрупненных технологических операций (функций), в дальнейшем операций, и для них указываются все возможные конструктивные реализации этих операций.

В качестве примера рассмотрим принцип построения морфологической таблицы для анализа структурных моделей комплекса по разработке подземных угольных месторождений.

В этом случае процесс выемки угля будет включать в себя следующие основные операции: отделение угля от массива (О), транспортировка угля к откаточному штреку (Т), крепление призабойного пространства (К). Основная морфологическая таблица показана на рис. 2.5.

Основные функции (операции) и их технические реализации Отбойка (отделение Комбайн со шнеком Гидрофицированная Скребковый конвейер (О1), резание стругом крепь (К1), индивиду- (Т1), скрепер (Т2), (О2), комбайн с буро- альные стойки (К2), ленточный конвейер вым исполнительным механическая крепь (Т3), волновой или органом (О3), отбойка (К3), крепь со стойка- виброконвейер (Т4), ударным ИО (О4), от- ми электрического гидротранспорт (Т5), бойка роботом с при- действия (К4), пнев- пневмотранспорт (Т6), менением БВР (О5), мокрепь (К5), крепле- нагребающие лапы комбайн с гидромони- ние средой (К6), под- (Т7), комбинировантором (О6), комбайн с держание кровли на ный транспорт (Т8), комбинированным ИО целиках (К7), крепле- гравитационный (О7), комбайн совме- ние сеткой (К8), ан- транспорт (Т9), средщн с крепью (О8), керная крепь (К9), ства транспорта кинеотбойка совмещена с крепление кинемати- матически или констдругими машинами чески или конструк- руктивно связанные с кинематически (О9), тивно связано с дру- другими функциото же с конструктив- гими функциональны- нальными машинами ной связью (О10) и т.д. ми машинами (К10) и (К10) и т.д.

Рис. 2.5. Основная морфологическая таблица для анализа структурных схем Операция (О) достигается применением следующих способов: О1 – механическая отбойка; О2 – гидроотбойка; О3 – химическое размягчение угля и т.д.

При необходимости каждый из способов можно разбить на более мелкие конструктивные решения: О11 – резание шнеком; О12 – резание стругом; О13 – отбойка ударным инструментом; О14 – отбойка взрывом; О15 – комбинированный способ и т.д.

Для операции Т рассматриваются: Т1 – механическое волочение (Т11 – скребковый конвейер, Т12 – скрепер, Т13 – ленточный конвейер); Т2 – потоком жидкости (Т21 – гидротранспорт, Т22 – импульсными струями) и т.д.

Для операции К соответственно: К1 – крепление механическое (К11 – индивидуальная крепь, К12 – гидрофицированная крепь, К13 – электрофицированная крепь и т.д.); К2 – удержание кровли на целиках; К3 – удержание кровли искусственной средой (К31 – нагнетанием воздуха, К32 – нагнетанием воды) и т.д.

Соединением по одному конструктивному решению из каждой позиции О, Т и К можно получить большое число вариантов комплексов. Например, О11 – Т11 – К12 являются основными машинами современного механизированного комплекса типа КМ-87 УМЭ. Морфологический анализ полученных комплексов помогает выбрать технически реализуемые варианты, а из них – наиболее интересные.

В блоке 19 (рис. 2.4) на основании шкал соотношение групп критериев сравнения (блоки 2, 5) и шкал соотношения важности узлов (машин) комплекса (блок 9) производится сравнение с помощью экспертов или ЭВМ (методом моделирования мнений экспертов по программе MORF) по каждому i-му узлу jй машины k-го комплекса эффективности использования этого узла с использованием данного узла прототипа.

2.3. БАЗОВЫЕ ФУНКЦИИ И ФОРМИРОВАНИЕ ОСНОВНОЙ

МОРФОЛОГИЧЕСКОЙ ТАБЛИЦЫ

Определение базовых функций комплекса. При определении базовых функций (операций), выполняемых искомым комплексом должно соблюдаться условие минимально достаточного числа базовых функций. Каждая такая функция реализуется одним из узлов, входящим в состав комплекса. Если какой-либо узел, в свою очередь, разбивается на несколько подузлов, а выполняемая им операция – на подоперации, то эффективнее провести сначала укрупненный анализ по операциям, а потом частный анализ по подоперациям. Предоставление же подоперации ранга операции приводит к тому, что анализ становится слишком громоздким, а следовательно, более трудоемким и менее достоверным.

В табл. 2.1 функции обозначены как F1, F2,..., Fi,..., Fn, где n – число функций. Каждая функция может быть реализована большим числом технических решений (r1, r2,... rj,...

rm) ri Fi, j = 1...m.

Все варианты АДК состоят из машин (агрегатов), действия которых могут быть разбиты на n выполняемых операций.

Каждая i-я операция может быть выражена через m технических реализаций.

Таким образом, получается матрица размером mn, которая называется полной таблицей морфологического анализа (рис. 2.5).

Заполнение таблицы морфологического анализа. Каждая выбранная базовая функция может быть реализована одним или несколькими способами. Выбор того, каким образом будет реализована каждая функция, и есть выбор компоновки комплекса. Таблица морфологического анализа имеет столько же строк, сколько базовых функций. Элементами строк являются варианты реализации соответствующей функции. Вообще говоря, у разных функций может быть неодинаковое количество реализаций. В таком случае таблица морфологического анализа не будет являться матрицей. Но, чтобы иметь возможность применить к нашей задаче элементы матричного и тензорного анализа, условимся задаваться для всех функций равным числом реализаций m. При необходимости можно составить несколько таблиц морфологического анализа и, произведя их раздельную обработку, получить те же самые результаты.

Определение параметров (характеристик) работы комплекса. Выбор параметров, характеризующих работу комплекса, по которым производится сравнение зависит от конкретных условий, в которых будет работать комплекс, и производится из тех же соображений, что и выбор базовых функций.

Как будет видно из дальнейшего изложения, в роли таких параметров могут выступать понятия, не имеющие абсолютного численного выражения. В табл. 2.1 параметры обозначены, как P1, P2,..., Pi,..., Pk, где k – число параметров.

Анализ размерных матриц-строк и определение параметров. Матрица А, состоящая из элементов, не имеющих размерности, может быть преобразована в k матриц, элементы которых имеют размерность в соответствии с функциями, выполняемыми АДК, при условии реализации их конкретными техническими решениями:

В качестве матриц типа А1,..., Аk, имеющих размерность, могут использоваться:

матрица энергозатрат А1 с элементами a1ij;

матрица удельных энергозатрат А2 с элементами a2ij;

матрица пооперационной производительности А3 (в случае различия по производительности отдельных машин матрица временных затрат А4 с элементами a4ij ( если цикл состоит из повторяющихся операций);

матрица пооперационного срока службы (ресурса) А5;

матрица пооперационного травматизма А6;

матрица пооперационных стоимостных затрат А7;

матрица металлоемкости функциональных машин А8;

матрица поузловых показателей надежности А9 и так далее, Аk.

Анализ размерных матриц и выбор параметров. Как показывает анализ взаимозависимости пооперационных матриц между такими матрицами существуют взаимные переходы. Поэтому для окончательного выбора функций и параметров для анализа необходимо учитывать следующие соотношения:

т.е. при выполнении основного допущения достаточно выбора либо А1, либо А2.

2. С учетом гипотезы Линника [42] должно выполняться следующее условие соответствия матриц:

поэтому, когда имеются зависимости, связывающие ресурс машины с видом нагрузки, типа материала и т.д., а также матрица пооперационных удельных энергозатрат, можно определить элементы матрицы А1.

3. Матрица пооперационных стоимостных затрат может быть получена из матрицы металлоемкости в результате следующего матричного перемножения А6 = А7Aij (при допущении постоянства зависимости цены изделия от его массы);

где Aij – эмпирические коэффициенты. Матрица показателей надежности А9 может быть получена с учетом А3 и времени простоев из-за отказов.

4. При анализе АДК для подземных условий особо важно выделение в отдельный параметр показателя пооперационной безопасности или пооперационного травматизма.

Оценка безопасности мало коррелирует с другими пооперационными матрицами, поэтому оценка безопасности особенно добычных машин должна непременно присутствовать в анализе АДК, а ее приоритет должен быть максимально высок.

Элемент a6ij матрицы А6 может быть оценен как функция от числа обслуживающего персонала.

Одной из основных причин включения в морфологический анализ параметра, связанного с энергоемкостью операций (энергоемкость), является тот факт, что в наиболее энергоемкой операции – отбойке породы – удельная энергоемкость Hw является величиной, физически связанной с крепостью разрушаемых пород.

В отличие от таких параметров АДК, как стоимость и безопасность, не имеющих фактической величины для несуществующих вариантов, энергозатраты – это параметр, величину которого можно определить с достаточной точностью. Кроме того, удельные энергозатраты связаны с прочностью разрабатываемой породы и определяют, с одной стороны, спектр областей использования АДК по прочности разрабатываемых пород, а с другой – такие важные режимные параметры добычной машины, как скорость подачи и скорость резания. Поэтому целесообразно окончательное сравнение вариантов (на второй стадии анализа) добычных машин производить по условию пооперационного минимума удельных энергозатрат:

Для этой цели обоснована необходимость использования и разработки компьютерных программ CUTTO, KOR и др., позволяющих оптимизировать структурные схемы исполнительных органов машин.

Таким образом, анализ энергозатрат при выполнении всех операций является наиболее необходимым. Очевидна важность решения задач обоснования зависимости удельных энергозатрат от прочности породы и скорости деформирования; для транспортных машин – зависимости удельных энергозатрат от числа приводов, скорости волн деформации в лентах, соотношения наклонных и горизонтальных участков, а также от производительности.

Принципы заполнения размерных матриц. Для расчетов пооперационных энергозатрат Ai используются при необходимости формулы расчета полезных работ i-й операции. Так, например:

1) для гидравлических машин при известных давлении Pi(ti) и расходе Ri(ti) 2) при известных затратах мощности машин, выполняющих i-ые операции Ni(ti) и времени работы ti:

3) для транспортирующих машин при известных зависимости угла действия силы от расстояния i(li), длине li, коэффициенте трения f и зависимости силы от расстояния Fi(li):

4) для грузоподъемных элементов при известных высоте подъема hi, зависимости усилия подъема от высоты Fi(hi) и коэффициенте трения в шкивах и так далее.

Для стоимостных показателей возможно применение эмпирических формул вида где cij – элемент матрицы Аp, C0 и C1 – эмпирические коэффициенты, Ni – физический параметр, например мощность привода.

Такие формулы широко применяются при экономикоматематическом моделировании [15].

2.4. ОБРАБОТКА ОСНОВНОЙ МОРФОЛОГИЧЕСКОЙ

ТАБЛИЦЫ

Формирование матриц-строк пооперационных затрат вариантов. Для каждого a1, a2,...,aN 0 варианта АДК (число вариантов N0 N) составляются размерные матрицы A1, А2, и т.д.

Аналогично A0 для k параметров P1,...Pk, которые могут быть получены выбором соответствующих строк из матриц А1,..., Аk для конкретного варианта al.

Обработка матриц вариантов. Размерные матрицы А1,..., Аk переводятся в безразмерную форму (табл. 2.1, п. 2), при этом получаются матрицы, содержащие числа в двоичной системе Aбl, являющиеся безразмерными оценками, полученными путем сравнения с матрицей прототипа A0, то есть получаем n в степени m матриц Aбl размерностью n k.

Заполнение этих матриц может быть осуществлено двумя способами:

Составлением k матриц n m, соответствующих каждому параметру. Их элементы alij являются величиной l-го параметра j-ой реализации i-ой функции. В дальнейшем можно с помощью ЭВМ подставлять данные значения в матрицы вариантов Al. Этот метод имеет один существенный недостаток: поскольку все величины рассчитываются для отдельно взятых элементов комплекса (без взаимоувязки), то не предусматривается возможная несовместимость их в составе комплекса. Таким образом, можно получить хорошую оценку для заведомо абсурдного варианта.

Непосредственным заполнением оценками “0” и “1” элементов матриц Aбl. Это более трудоемко, чем в первом варианте, но гарантирует отфильтровывание заведомо абсурдных вариантов.

Выбор схемы заполнения матриц Aбl зависит от конкретной задачи.

Оценка также может выставляться по принципу [19,20]:

10, если aij значительно больше aij (на порядок где aij – соответственно величина для i-й функции j-го параметра l-го комплекса;

Матрицы Aбl анализируются по критерию п. 5 табл. 2.1, или:

где 1i – коэффициенты значимости показателей функции (шкалы важности функций или приоритеты функций).

Теоретически количество различных критериев, аналогичных Tl, может быть бесконечно большим (в любом случае значительно больше, чем k!) при выставлении приоритетов в широком диапазоне и использовании большого числа функций и параметров.

Критерии Tl являются преобразованными в скаляр безразмерными матрицами, суммирование элементов которых должно производиться особым образом с учетом приоритетов важности функций и параметров.

В случае, когда приоритеты по машинам (агрегатам) или функциям действия этих машин выражаются в двоичной системе исчисления, критерии Т могут быть выражены также числом в двоичной системе исчисления, при этом, если оценки выставляются отдельно в каждом разряде, в целом критерии Т выражаются одним числом в двоичной системе. Поэтому составление шкалы приоритетов является важнейшей системой преобразования при решении данной задачи; упрощение шкалы приоритетов позволяет решать эту задачу чисто аналитически.

Определение шкал функциональных и параметрических приоритетов. Для дифференцированного учета оценок различных функций и параметров необходимо задаться системой приоритетов. Приоритет является условной численной величиной, показывающей, насколько важна та или иная функция или параметр.

Приоритет дает возможность более существенной функции или параметру оказать возможно большее влияние на формирование окончательной комплексной оценки. Расстановка приоритетов является, пожалуй, наиболее ответственным этапом во всем алгоритме, поскольку при одних и тех же данных разные соотношения приоритетов дают совершено различные результаты. Например, предположим, искомый комплекс выполняет три базовые операции F1, F2, F3. Выполнение операций характеризуется тремя параметрами Р1, Р2, Р3. На рис. 2.6 показано влияние на итоговую оценку частных оценок шкал приоритетов [38-40].

На рис. 2.6, а показана диаграмма важности оценок при отсутствии приоритетов по функциям и параметрам. Диаграмма важности оценок, показанная на рис. 2.6, б, составлена при наличии приоритетов, как по функциям, так и по параметрам. Как видно из рис. 2.6, б, оценка F1 на два порядка в двоичной системе важнее F3 и на один порядок – F2; оценка параметра Р3 на два порядка важнее оценки Р1 и на один – оценки Р2.

Рис. 2.6. Диаграммы важности оценок при отсутствии приоритетов по функциям и параметрам (а) и при наличии приоритетов (б).

Как видно из рис. 2.6, б, наличие приоритетов позволяет выделять главные и второстепенные параметры и функции:

оценка F1 по Р3 (функции 1 по параметру 3) является наиболее весомой из девяти прочих оценок. Это может упростить проведение морфологического анализа, а также дает возможность установить направление оптимального конструирования АДК. В табл. 2.2 показаны примеры преобразования безразмерных матриц 3 3 в скаляр при различных вариантах расстановки приоритетов функций и параметров.

№ п/п оценка в десятичной системе Рассмотрим конкретный числовой пример. Так, было установлено, что затраты на приводные станции, ленту и став ленточного конвейера приближенно относятся как 4:2:1 для следующих исходных данных: = 180; L = 4000 м; Q = 6000 т/ч, где – угол установки конвейерной линии; L – длина транспортирования; Q – часовая производительность (приоритеты определены в результате предварительных исследований) 15.

Выявленное соотношение позволило преобразовать оценки суждений экспертов в трехразрядное число, выраженное в двоичной системе исчисления, т.е. расположить узлы МПЛК по важности. Например, если эксперт посчитал, что оценка заl трат на привод имеет оценку a11 1, оценка затрат на ленту – a12 1 и оценка затрат на став – a13 0, то для первой группы затрат при использовании первого типа ПП имеем общую оценl трат a2 011; а для третьей – a3 111, то общая оценка при применении в МПЛК первого типа ПП будет равна T1 = 110 + 011 + 111 = 10000 или 16 в десятичной системе. Подробнее этот пример рассмотрен в работе [85].

В общем виде при задании шкалы важности параметров в двоичной системе в виде a1i : a2i : a3i = 4:2:1 общая оценка по l-му варианту выразится величиной также в двоичной системе исчисления:

Так, если проводится оценка по критериям: экологического воздействия, ненадежности и стоимости вариантов, экспертам необходимо соотнести эти три критерия по важности, разработать шкалу их соотношения. То же необходимо сделать для функций комплекса – соотнести функции (машины) по важности.

Предположим, что все сравниваемые варианты комплексов имеют одинаковую структуру и состоят из трех основных машин (имеют три функции). Известно (установлено исследованиями или экспертами), что для всех вариантов соотношение функций (машин) по важности равно 1:1:1.

Установлено также, что при сравнении необходимо учитывать следующие критерии: экологическое воздействие, ненадежность и стоимость.

Изменение отношений (приоритетов) должно быть направлено в одну сторону для всех критериев, одинаково характеризуя качество варианта. При этом задается соотношение функций по важности: 4:2:1. Функция стоимости имеет группы: 1 – стоимость НИР и проектных работ; 2 – эксплуатационные затраты; – капитальные затраты; при этом группы соотнесены по важности шкалой 8:2:1.

При нахождении суммарных оценок, согласно полученным соотношениям (шкалам), целесообразно использовать следующие приемы:

если соотношение функций по важности отсутствует, то суммарная оценка для определенного варианта по одному параметру должна суммироваться арифметически;

суммарная оценка по параметру, например, стоимости, или по любому другому, разделенному на группы, определяется с учетом шкалы соотношения групп.

Так, если, например, задано соотношение групп то при получении суммарной оценки оценку по первой группе необходимо сдвигать относительно оценки по второй группе на два разряда и на три разряда по отношению к третьей. Пусть оценка по третьей группе 1001, оценка по второй – 1101, по первой – 1000, тогда общая оценка по критерию исчисляется следующим образом:

Итоговая оценка ai выставляется в соответствии со шкалой важности параметров 4:2:1.

2.5. УПРОЩЕННЫЙ АЛГОРИТМ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО

Полный компьютерный анализ Tl по п. 7 табл. 2.1 при больших n, k и N0, а также при изменении в большом диапазоне весьма затруднен. Задача в общем виде практически не имеет решения, поскольку требует чрезмерно больших временных и материальных затрат, поэтому целесообразен переход к упрощенному алгоритму, например, MORF, где рассматриваются матрицы размером 3 3 (три функции и три параметра).

Принципы обработки основной морфологической таблицы:

диалоговый режим общения;

варианты (АДК) должны иметь одинаковые способы реализаций по функциям и параметрам;

вариант (АДК) считается наиболее эффективным, если он характеризуется минимальным числом функций, максимальным числом реализаций по каждой функции (особенно для функции с максимальным приоритетом важности), максимальным числом патентов по реализациям, возможностью использования новейших способов реализации по основным функциям.

Формализованный морфологический анализ требует двухстадийного рассмотрения морфологической таблицы:

I стадия – отбрасывание малоэффективных вариантов, дополнение новыми функциями и реализациями (генерация новых реализаций);

II стадия – разделение на перспективные, реальные и патентоспособные варианты, оформление матриц размером 3 3.

Использование морфологического анализа предполагает следующие допущения:

варианты технических реализаций функций АДК должны быть совместимы друг с другом во избежание появления абсурдных вариантов;

в качестве параметров могут выступать показатели или характеристики машин (механизмов), не имеющие непосредственного физического выражения, например, “экологическая безопасность”;

возможен рациональный переход от основной морфологической матрицы к множеству матриц 3 3;

объективность оценок в матрицах 3 3 подтверждается использованием отношений фактических величин из размерных пооперационных матриц;

минимальное значение безразмерных матриц, свернутых в скаляр с учтом приоритетов, соответствует оптимальному варианту (оптимальной структурной схеме АДК);

выбор объективных шкал приоритетов по функциям и параметрам возможен на основании анализа функционирования варианта-прототипа (комплекса-прототипа).

Субъективность экспертных оценок при морфологическом анализе снижается за счет:

наличия размерных матриц А1 для анализируемых вариантов и A0 для прототипа;

анализа преобразованных в скаляр безразмерных матриц на основе сравнения таблиц весомости приоритетов;

дробления функций на более мелкие операции, для которых очевидна оценка для сравнения с прототипом;

выбора ведущей функции, которая имеет наибольший вес (рис. 2.6);

просчитывания нескольких вариантов с различными оценками для спорных мест (компьютерная замена оценок и 1 и замена приоритетов);

выбора оптимального варианта, при котором при различных шкалах приоритетов сохраняется минимальная суммарная оценка.

Алгоритм программы MORF по выбору типа комплекса (табл. 2.1) имеет нижеприведенный вид:

1. Постановка задачи – по какой системе производится отбор вариантов:

возможность создания комплекса в настоящее время;

возможность создания комплекса в ближайшем будущем;

возможность создания комплекса в отдаленном будущем (использование узлов, не освоенных промышленностью).

2. Выбор прототипа – существующего комплекса новой (новейшей) конструкции, параметры которого известны.

3. Формирование для прототипа таблицы величин основных параметров машин (узлов), входящих в комплекспрототип.

4. Формирование морфологической таблицы.

5. Формирование квадратных матриц 3 3.

6. Выбор ограниченного числа матриц (с учетом п.1).

7. Выбор альтернативных вариантов и их сравнение с прототипом.

8. Нахождение оптимальных вариантов для заданных приоритетов по п. 7 с учетом п. 8 табл. 2.1.

9. При необходимости – изменение приоритетов и повторение п.8.

10. Анализ результатов выполнения программы и общие выводы.

Глава 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО

ПРОХОДЧЕСКО-ДОБЫЧНОГО КОМПЛЕКСА

3.1. ОБОСНОВАНИЕ КОМПОНОВКИ АЛЬТЕРНАТИВНОГО

ДОБЫЧНОГО КОМПЛЕКСА

Как отмечалось в разделе 1.1, выбор оптимальной компоновки (структурной модели) АДК для отработки участков пластов по камерной системе или залегающих в сложных горногеологических условиях (забалансовые запасы и охранные целики) шахт и рудников, является весьма актуальной задачей, решению которой посвящено большое число исследований, например, [73]. Так, например, на поле шахты “Воргашорская” охранные целики оставляются в зонах горно-геологических нарушений с амплитудой более 10 м. Их ширина по опыту работы шахты составляет по 50 м в обе стороны от нарушения.

Как указывалось выше, в этом случае может быть применена наиболее эффективная камерная система добычи. Рассмотрим какие средства механизации (АДК) оптимальны в данном случае. В качестве прототипа примем обычный ОМК типа 2ОКП-70. Ниже представлена таблица для морфологического анализа (табл. 3.1), содержащая наиболее типичные варианты реализации основных операций, из которой могут быть получены 27 различных АДК.

Расставим операционные и характеристические приоритеты: наиболее дорогостоящей является операция крепления, а из характеристик, в данном случае, наиболее важна безопасность производства, поскольку комплекс будет работать в зонах геологических нарушений.

В полученных из морфологической таблицы матрицах 3 3, соответствующих всем вариантам структурных моделей АДК, исходя из условия (п. 5, табл. 2.1), расставлены оценки с учетом приоритетов (таблица 3.2), реальных значений параметров прототипа, а также мнений экспертов (в качестве экспертов привлекались специалисты и преподаватели СПГГИ, МГГУ).

Примеры наиболее характерных матриц 3 3 представлены соответственно в таблице 3.3.

Комплекс, получивший минимальную оценку, соответствует оптимальной структурной модели. В табл. 3.4 представлены пять вариантов структурных моделей комплексов, получивших минимальные оценки, число слева – итоговая оценка в десятичной системе исчисления. Эта оценка получена как сумма из трех трехразрядных двоичных чисел, которые формируются из столбцов матриц 3 3 (табл. 3.3), элементы столбцов получают разряд в соответствии со своими функциональными приоритетами. Пример технологической схемы работы таких комплексов приведен на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Эффективность применения проходческо-добычного комбайна (ПДКУ) в комплексе с многоприводным ленточным конвейером:

а) принципиальная технологическая схема отработки охранных целиков;

б) технология отработки запасов механизированным комплексом;

в) технология отработки запасов проходческо-добычным комбайном (ПДКУ);

Варианты комплексов, получивших минимальные оценки Оценка Анализ результатов определения эффективности применения комплексов различной структуры, приоритетов функций и параметров показывает эффективность применения проходческо-добычного комбайна (ПДКУ) в комплексе с многоприводным ленточным конвейером (рис. 3.1), работающих короткими заездами при камерной системе с частичным креплением анкерной крепью.

3.2.МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ДОБЫЧНЫХ

КОМБАЙНОВ С УЧЕТОМ СКОРОСТИ НАГРУЖЕНИЯ ПОРОД

В гл. 2 указывалось, что для окончательного выбора компоновки (структурной схемы) АДК требуется проведение развернутого параметрического сравнения двух (трех) вариантов. Одним из важнейших параметров является энергоемкость основных процессов, реализуемых конкретными техническими решениями. Необходимо в каждом конкретном случае выбирать адекватные математические модели и методики расчетов основных параметров ИО, машин и АДК в целом. В частности, для наиболее энергоемкого процесса – отбойки породы, некорректность выбора методики расчета энергетических параметров добычных ИО может привести к завышению (занижению) мощностей машин в несколько раз, что естественно, приводит к росту (уменьшению) габаритов, массы, энергопотребления и т.д. Поэтому одной из важнейших задач является разработка универсальной методики расчета параметров добычных машин, включающей в себя различные механо-математические модели процессов взаимодействия ИО ГМ с породой.

Современную и весьма перспективную кинетическую теорию прочности, которая разрабатывалась акад.

С.Н. Журковым, многократно пытались применить для расчета параметров разрушения горных пород [6, 82]. Однако рассмотрение процесса разрушения породы при ее взаимодействии с ИО ГМ на молекулярном уровне вряд ли целесообразно из-за устойчивой неоднородности пород, наличия твердых включений, функционально не зависящих от прочности основной породы. Кроме того, доля энергии, идущей на разрушение породы не велика в сравнении с общей энергией, потребляемой ГМ. Поэтому в настоящее время кинетическая теория прочности не может найти широкого применения для расчетов ГМ.

Известно, что на скалывание угля при его резании ИО ГМ затрачивается 15 % общей энергии разрушения забоя [60, 68]. Покажем, что существует соответствие между удельными энергозатратами на разрушение, полученными как отношение потребляемой мощности и технической производительности, и работой разрушения породы Aразр, полученной в результате интегрирования функции зависимости предела прочности от деформации в пределах изменения деформации до разрушения образца:

Hw (кВтчас/т) = 3,6106Aразр(3,6106Дж/м3) С учетом того, что на собственно разрушение идет от до 20 % общей потребляемой ГМ мощности, можно ввести коэффициент, определяющий эту долю в зависимости от типа разрушаемой породы, режущего инструмента и ИО ГМ.

С другой стороны, используя диаграмму напряжениедеформация, можно получить энергию в джоулях на метр кубический, необходимую только для разрушения породы Вычисление интеграла (3.1) с учетом доли энергии, идущей на разрушение, которую можно определить, например, по таблице 3.5, а также с учетом реальных воздействий на породу и режима работы резца (дополнительный отвод тепла [10, 64], специальные конструкции и материалы резца и т.д.) дает энергию на разрушение ИО ГМ Аразр, от которой можно перейти к удельным затратам на разрушение породы Hw.

Расчеты по определению затрат энергии на разрушение пород, а также анализ работ Е.З. Позина [60], Ю.И. Протасова [64], К.Г. Асатура [6, 7], позволяют составить таблицу условного распределения затрат энергии при разрушении пород резцовым инструментом.

Как видно из табл. 3.5, при разрушении хрупких пород (углей) потери на диспергирование составляют около 70 %. При этом значительная доля мощности ГМ затрачивается на процессы, от которых необходимо избавляться (переизмельчение породы, затраты на трение). Однако использование гидромеханических резцов, как показывают исследования, например В.А. Бреннера [10], позволяет значительно снизить потери энергии на диспергирование и трение.

Распределение энергии по процессам для различных видов разрушения Диспергирование от взаимодействия передней грани резца с породой Диспергирование при трении на задней грани затупленного Образование трещин, отрыв частиц породы Упругая деформация породы Упругие деформации ИО ГМ Трение и нагрев породы и Конструкции ГМ, в которых применяется гидромеханическое разрушение породы, значительно сложнее традиционных, однако более рациональное распределение энергии при разрушении породы в таких ГМ делает их весьма перспективными, особенно если конструкция ИО ГМ включает в себя гидромашину, связанную с резцами.

Величина Hw определяет тип ИО ГМ, его режимные и конструктивные параметры, которые могут быть получены, например, из таблиц [60, 106].

Эти данные помогают на начальных этапах анализа структурных моделей, исходя только из паспорта прочности породы [8, 27, 68], определять величины оценок в морфологических матрицах 3 3 по параметру “энергоемкость”.

Таким образом, для различных конструкций ГМ, структурных моделей АДК, горно-геологических условий и пород можно на предпроектных стадиях (до начала проектирования нового АДК) получить величину удельных энергозатрат на разрушение породы ИО ГМ. Это, в свою очередь, позволяет делать прогнозные оценки о ресурсе, сроке службы, эксплуатационных показателях работы новых ГМ.

Необходимо учитывать возможность постоянного мониторинга изменения прочности пород, например, с помощью аппаратуры, разработанной под руководством проф. О.В. Ковалева [29]. Эта следящая система работает без отбора проб породы для испытания на прочность и основана на измерении констант электрических полей, характеризующих напряженное состояние массива. Такая система позволяет изготовить ИО ГМ, который может изменять свои режимные параметры таким образом, чтобы удельные энергозатраты на разрушение породы были минимальны.

Исследования, проведенные под руководством проф.

А.Н. Ставрогина [27, 82], выявили зависимость прочностных свойств породы от скорости деформации. Эти исследования показывают, что все породы можно разбить по их качественному поведению при изменении скорости деформирования на три типа (рис. 3.2, а):

1 тип – породы, у которых прочность монотонно растет при увеличении скорости деформирования;

2 тип – породы, у которых прочность увеличивается до определенной точки, после которой происходит стабилизация и прочность не изменяется при увеличении ;

3 тип – породы, у которых возможно на некотором участке диаграммы n уменьшение прочности при росте.

Все известные методики по определению сил, возникающих на ИО добычных машин (см. раздел 1.1, [106]), используют при различных режимах деформирования разрушаемой породы (при изменении параметров работы горной машины) постоянное значение характеристики прочности, однако, это верно только для пород второго типа на участке диаграммы после критической точки.

Предел прочности Рис. 3.2. Качественная зависимость прочности породы в функции скорости деформации для различных типов породы (а) и зависимость изменения прочности породы в функции скорости ее деформирования по проф.

Многие исследователи считают, что на силы сопротивления деформированию (при резании) скорость подачи не влияет [6], однако, это верно только для пород второго типа или первого типа со слабой зависимостью прочности от.Предлагаемая ниже модель справедлива для пород третьего типа, такая модель ранее не применялась для расчетов ГМ. Для реальных расчетов могут быть использованы традиционные модели, в которых либо принимается слабая зависимость прочности от скорости деформации, либо такой зависимостью пренебрегают. В этом случае можно использовать ОСТ [54], и система дифференциальных уравнений упрощается.

В опытах проф. А.Н. Ставрогина [81, 82], в частности, осуществлялось одноосное сжатие с постоянной скоростью V образца длиной l, цилиндрической формы. Фиксировалось изменение во времени нормального напряжения с помощью тензометрии. В момент разрушения определялся угол наклона макротрещины ск к продольной оси образца и, соответственно, нормальное напряжение разрушения n.

По этому значению рассчитывалось предельное значение касательного напряжения вдоль линии разрушения по формуле После этого, строилась зависимость предельного касательного напряжения п от скорости изменения продольной деформации :

в полулогарифмическом масштабе (рис. 3.2, б).

В случае разрушения аналогичной хрупкой породы (кизеловский уголь, калийная соль и т.д.), которую можно отнести к породам 3-го типа, представляется более целесообразным определять величину предельных нормальных напряжений п в направлении среза [101]. Кроме того, в задаче о взаимодействии ИО ГМ непосредственно с породой отсутствует характерный линейный размер, определяющий длину в направлении среза горной породы, которая подвержена деформации. Поэтому, вместо величины введем относительную скорость деформации вдоль направления скола Именно эту величину можно определить через скорость резания ИО ГМ Vр по следующей формуле где h – толщина стружки.

Таким образом, графики (рис. 3.2, б), построенные А.Н. Ставрогиным на плоскости (п, ), следует перестроить на плоскость (п, ) согласно формулам (3.2-3.4).

На основе (3.5) оказывается возможным, применительно к конкретной практической ситуации, определить диапазон изменения скорости деформации. Внутри этого диапазона представляется возможным произвести линейную аппроксимацию зависимости п ( ) в полулогарфмическом масштабе:

где – масштабное значение скорости изменения деформации, а значения n0 и k определяются в результате аппроксимации.

Знак минус характеризует физико-механические свойства разрушаемой хрупкой породы, которые впервые были определены в [27]. Это, в частности, означает, что с ростом предельное значение напряжения разрушения уменьшается.

Для дальнейшего существенно, что толщина стружки h может быть определена по формуле где Vп – скорость подачи, – угловое расстояние между соседними резцами; r – радиус ИО ГМ.

Таким образом, скорость относительной деформации будет равна Процесс разрушения хрупкой породы резцами в рабочем режиме, как показывают эксперименты [22, 23, 30, 34], носит неупорядоченный, стохастический характер и состоит из последовательности кратковременных сколов различной интенсивности. При этом, однако, всегда удается экспериментально зафиксировать наиболее интенсивный скол, при котором сопротивление вращению ИО ГМ максимально. Существенно, что наиболее интенсивные сколы следуют друг за другом приблизительно через равные промежутки времени. Кроме того, как зафиксировано многими экспериментами, значительная доля общего усилия на резце затрачивается на трение о породу (нагрев резца), пылеобразование, боковой развал и т.п.

Добиться строгого механо-математического описания этого сложного процесса вряд ли представляется возможным.

Поэтому, далее примем следующую упрощенную схему:

1. Рассматривается ИО ГМ типа резцовой коронки.

2. Предположим, что в моменты, которые непосредственно предшествуют достижению максимальных значений суммарной силы сопротивления резанию, картина расположения резцов и профиль забоя вдоль линии резания имеют вид, представленный на рис. 3.3. Толщина стружки h, которая срезается непосредственно после достижения этого момента, максимальна и определяется по (3.5).

3. Полагаем, что непосредственно после вышеуказанных моментов времени происходит максимальный скол породы. При этом линию скола допустимо считать прямолинейной и наклоненной под углом ск к окружному направлению перемещения резца, где ск совпадает с тем значением, которое определяется в опытах А.Н. Ставрогина.

4. Будем пренебрегать величиной заглубления за время T перемещения резца на расстояние S, которое соответствует окружному перемещению, отвечающему линии скола. Это возможно при условии V p Vn. Тогда где ab – длина линии скола.

Внутри выделенного интервала времени, продолжительности T толщина стружки систематически возрастает. При этом происходит серия микросколов, постепенно увеличивающейся интенсивности.

5. Внутри интервала времени T сила сопротивления вращению изменяется по линейному возрастающему закону от нуля до максимального значения. Это означает, что по окончании интервала схема расположения резцов и форма забоя, представленная на рис. 3.3, снова оказывается справедливой. Таким образом, принятые допущения позволяют считать, что эффективная сила сопротивления вращению является периодической с периодом T (рис. 3.4).

6. Непосредственно перед максимальным сколом (рис. 3.3) предельные нормальные напряжения равномерно распределены вдоль площадки контакта резца с породой толщиной h. При этом данные напряжения естественно рассчитываются по линеаризованной формуле (3.4). Таким образом, максимальное усилие на резце где bр – ширина режущей кромки резца; – коэффициент, учитывающий долю суммарного усилия на резце, приходящуюся только на скол породы.

Отметим, что суммарный момент сопротивления вращению ИО ГМ где n – число резцов, участвующих в резании.

Рис. 3.3. Схема взаимодействия резца с породой.

Резюмируя вышесказанное, получим окончательные формулы для периодического закона изменения момента сопротивления и периода его изменения:

где (t ) – единичная единичная T – периодическая функция, которая в принципе может отражать случайный характер мгновенных нагрузок (усилия на резце и момента на ИО).

Рис. 3.4. Зависимость усилия на резце Z во времени при выполнении сколов Фурье-разложение этой функции имеет вид В силу принятых допущений внутри одного периода можно пренебречь изменением скорости резания Vp, поэтому время t в (3.13) можно представить как где S – окружной путь резца. Вследствие этого суммарный момент сопротивления, согласно (3.12), есть функция аргументов S:

Если же допустимо учитывать только среднее значение (t), то (t) = 0,5 и зависимость от S пропадает.

Будем далее полагать, что рассматриваемая ГМ относится к классу машин, рабочий инструмент которых движется по следу, сформировавшемуся в результате движения предыдущих рабочих инструментов, вдоль той же линии резания. Именно такая точка зрения нашла выражение в работе [23]. В этой диссертации, в частности, была установлена и экспериментально подтверждена прямо пропорциональная зависимость между толщиной стружки и суммарной силой N, с которой разрушаемая порода препятствует перемещению ИО ГМ вглубь забоя (давление в забое или усилие подачи). Будем также исходить из данного отношения (3.7):

где – опытный коэффициент, зависящий от прочности породы, материала и конструкции резца.

Отметим, что в работе [23] постулируется также прямо пропорциональная зависимость между суммарным моментом сопротивления и давлением в забое:

где – радиус сопротивления.

Сравнивая выражения для (3.12) и (3.15), получим:

В предшествующих работах полагается, что радиус сопротивления зависит от Vp. Эта опытная зависимость для большинства машин в рабочем диапазоне изменения Vр имеет вид, представленный на рис. 3.5 [23]. Основываясь на опытных данных [27, 81], можно подойти к определению радиуса сопротивления аналитически. Отметим, что зависимость от Vn, согласно (3.16), также имеет падающий характер. Возрастающую часть характеристики на основе (3.16) воссоздать не удается, поскольку в этом диапазоне изменения Vp оказывается несправедливой исходная линейная аппроксимация (3.16).

Радиус сопротивления Кроме того, в полученной формуле (3.16), радиус сопротивления зависит от Vn, и от окружного пути S. В последней зависимости при определении среднего значения радиуса сопротивления (t) = 0,5:

Зависимость от Vn в рамках предлагаемого подхода, насколько нам известно, выявлена впервые.

Полученные результаты позволяют в явном виде записать систему дифференциальных уравнений продольного перемещения и вращения ИО ГМ:

где m – масса ГМ; J – эквивалентный момент инерции вращающихся частей привода, приведенный к валу ИО; F – активная сила, прижимающая ИО к забою; Mдв – движущий момент, приведенный к валу ИО.

Величина силы F определяется на основе механической характеристики привода подачи ГМ.

Подставляя выражения (3.12) и (3.14) в (3.18), получим окончательно систему двух нелинейных дифференциальных уравнений Эта система не может быть проинтегрирована аналитически, даже если допустимо представить усилие F и Мдв как явные функции скоростей подачи и резания, поэтому для определения зависимостей скоростей подачи и резания от времени данную систему следует интегрировать численными методами.



Pages:   || 2 | 3 |
 


Похожие работы:

«А. Н. Татарко Социальный капитал, как объект психологического исследования Электронный ресурс URL: http://www.civisbook.ru/files/File/Tatarko_monogr .pdf Перепечатка с сайта НИУ-ВШЭ http://www.hse.ru НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ Татарко Александр Николаевич СОЦИАЛЬНЫЙ КАПИТАЛ КАК ОБЪЕКТ ПСИХОЛОГИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ Москва, 2011 3 УДК ББК Т Данное издание подготовлено при поддержке РГНФ (проект № 11 06 00056а) Татарко А.Н. Т Социальный капитал как объект...»

«А.А. Федотов С.А. Акулов ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ БИОМЕДИЦИНСКИХ СИГНАЛОВ СИСТЕМ КЛИНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА МОСКВА Радио и связь 2013 Книга посвящается светлой памяти профессора Калакутского Льва Ивановича УДК 57.087 ББК 32.811.3 Ф 34 Рецензент: д.т.н., профессор Мелентьев В.С. Федотов А.А., Акулов С.А. Измерительные преобразователи биомедицинских сигналов систем клинического мониторинга. – М.: Радио и связь, 2013. – 248 с. – ISBN 978-5-89776-016-9. В монографии рассматривается структурное...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет А.В. Пылаева РАЗВИТИЕ КАДАСТРОВОЙ ОЦЕНКИ НЕДВИЖИМОСТИ Монография Нижний Новгород ННГАСУ 2012 УДК 336.1/55 ББК 65.9(2)32-5 П 23 Рецензенты: Кокин А.С. – д.э.н., профессор Нижегородского государственного национального исследовательского университета им. Н.И. Лобачевского Озина А.М. – д.э.н.,...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ФИЛОЛОГИИ М. А. Бологова Современная русская проза: проблемы поэтики и герменевтики Ответственный редактор чл.-корр. РАН Е. К. Ромодановская НОВОСИБИРСК 2010 УДК 821.161.1(091) “19” “20” ББК 83.3(2Рос=Рус)1 Б 794 Издание подготовлено в рамках интеграционного проекта ИФЛ СО РАН и ИИА УрО РАН Сюжетно-мотивные комплексы русской литературы в системе контекстуальных и интертекстуальных связей (общенациональный и региональный аспекты) Рецензенты...»

«АКАДЕМИЯ НАУК СССР НАУЧНЫЙ СОВЕТ АН СССР И АМН СССР ПО ФИЗИОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА ИНСТИТУТ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ФИЗИОЛОГИИ И БИОХИМИИ им. И. М. СЕЧЕНОВА Д. Л. Спивак ЛИНГВИСТИКА ИЗМЕНЕННЫХ СОСТОЯНИЙ СОЗНАНИЯ Ответственный редактор чл.-кор. АМН СССР В. И. Медведев Ленинград Издательство „Наука Ленинградское отделение 1986 УДК 155.552+612 Спивак Д. Л. Лингвистика измененных состояний сознания. Л.: Наука, 1986. — 92 с. Монография посвящена исследованию речи при естественно возникающих в экстремальных условиях...»

«Российская Академия Наук Институт философии И.А. Михайлов МАКС ХОРКХАЙМЕР Становление Франкфуртской школы социальных исследований Часть 1. 1914–1939 гг. Москва 2008 УДК 14 ББК 87.3 М 69 В авторской редакции Рецензенты кандидат филос. наук А.Б. Баллаев кандидат филос. наук А.А. Шиян Михайлов И.А. Макс Хоркхаймер. Становление М 69 Франкфуртской школы социальных исследований. Ч. 1: 1914-1939 гг. [Текст] / И.А. Михайлов ; Рос. акад. наук, Ин-т философии. – М.: ИФ РАН, 2008. – 207 с. ; 17 см. – 500...»

«Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО Иркутский государственный университет Н. В. Задонина, К. Г. Леви ХРОНОЛОГИЯ ПРИРОДНЫХ И СОЦИАЛЬНЫХ ФЕНОМЕНОВ В СИБИРИ И МОНГОЛИИ Монография 1 УДК 316.334.5 ББК 55.03 З–15 Печатается по решению редакционно-издательского совета Иркутского государственного университета и ученого совета Института земной коры СО РАН Рецензенты: д-р геол.-минерал. наук, проф. В. С. Имаев д-р геол.-минерал. наук, проф. Р. М. Семенов Ответственный редактор: д-р физ.-мат....»

«Н.Г. БАРАНЕЦ, А.Б. ВЕРЁВКИН МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ СОЗНАНИЕ РОССИЙСКИХ УЧЁНЫХ В XIX - НАЧАЛЕ XX ВЕКА Ульяновск 2011 1 УДК 008 (091)+32.001 ББК 80+60.22.1 г, 87.4 г. Работа поддерживалась грантом РГНФ (№ 11-13-73003а/В) и ФЦП Министерства образования и науки РФ Научные и научнопедагогические кадры инновационной России на 20092013. Рецензенты: доктор философских наук, профессор В.А. Бажанов доктор философских наук, профессор А.А. Тихонов Баранец Н.Г., Верёвкин А.Б. МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ СОЗНАНИЕ РОССИЙСКИХ...»

«Д. В. Зеркалов ПРОДОВОЛЬСТВЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Монография Электронное издание комбинированного использования на CD-ROM Киев „Основа” 2012 УДК 338 ББК 65.5 З-57 Зеркалов Д.В. Продовольственная безопасность [Электронний ресурс] : Монография / Д. В. Зеркалов. – Электрон. данные. – К. : Основа, 2009. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM); 12 см. – Систем. требования: Pentium; 512 Mb RAM; Windows 98/2000/XP; Acrobat Reader 7.0. – Название с тит. экрана. ISBN 978-966-699-537-0 © Зеркалов Д. В. УДК ББК 65....»

«Правительство Еврейской автономной области Биробиджанская областная универсальная научная библиотека им. Шолом-Алейхема О. П. Журавлева ИСТОРИЯ КНИЖНОГО ДЕЛА В ЕВРЕЙСКОЙ АВТОНОМНОЙ ОБЛАСТИ (конец 1920-х – начало 1960-х гг.) Хабаровск Дальневостояная государственная научная библиотека 2008 2 УДК 002.2 ББК 76.1 Ж 911 Журавлева, О. П. История книжного дела в Еврейской автономной области (конец 1920х – начало 1960-х гг.) / Ольга Прохоровна Журавлева; науч. ред. С. А. Пайчадзе. – Хабаровск :...»

«                  Лисюченко И.В.  БЕЗДЕЯТЕЛЬНЫЙ И ФАКТИЧЕСКИЙ ПРАВИТЕЛИ У ВОСТОЧНЫХ СЛАВЯН       Монография                            Ставрополь  2012  УДК 94(47).02 Печатается по решению ББК 63.3(2)41 совета по научноЛ 63 исследовательской работе Северо-Кавказского социального института Рецензенты: доктор исторических наук, доцент, профессор кафедры теологии социально-теологического факультета Белгородского государственного университета Пенской Виталий Викторович, кандидат исторических наук,...»

«Иванов А.В., Фотиева И.В., Шишин М.Ю. Скрижали метаистории Творцы и ступени духовно-экологической цивилизации Барнаул 2006 ББК 87.63 И 20 А.В. Иванов, И.В. Фотиева, М.Ю. Шишин. Скрижали метаистории: творцы и ступени духовно-экологической цивилизации. — Барнаул: Издво АлтГТУ им. И.И. Ползунова; Изд-во Фонда Алтай 21 век, 2006. 640 с. Данная книга развивает идеи предыдущей монографии авторов Духовно-экологическая цивилизация: устои и перспективы, которая вышла в Барнауле в 2001 году. Она была...»

«Л. П. ДРОЗДОВСКАЯ Ю. В. РОЖКОВ МЕХАНИЗМ ИНФОРМАЦИОННО-ФИНАНСОВОЙ ИНТЕРМЕДИАЦИИ Хабаровск 2013 УДК 336.717:330.47 ББК 65.262.1 Д75 Дроздовская Л.П., Рожков Ю.В. Д75 Банковская сфера: механизм информационно-финансовой интермедиации: монография / под научной ред. проф. Ю.В. Рожкова. — Хабаровск : РИЦ ХГАЭП, 2013. — 320 с. Рецензенты: д-р экон. наук, профессор Богомолов С. М. (Саратов, СГСЭУ); д-р экон. наук, профессор Останин В.А. (Владивосток, ДВГУ) ISBN 978-5-7823-0588- В монографии...»

«А.С. Павлов Экстремальная работа и температура тела Монография Донецк - 2007 УДК: 612.57.017.6:159.944 ББК: 28.903 П 12 Павлов А.С. /Соавт.: Лефтеров В.А., Монастырский В.Н./. Экстремальная работа и температура тела. - Донецк: НордКомпьютер, 2007. - 308 стр. Рецензенты: Доктор биологических наук, профессор А.В.Колганов Доктор биологических наук, профессор В.А.Романенко В монографии проанализированы психофизиологические и педагогические особенности труда экстремальных контингентов (их гибели или...»

«Международный союз немецкой культуры Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского А. Р. Бетхер, С. Р. Курманова, Т. Б. Смирнова ХОЗЯЙСТВО И МАТЕРИАЛЬНАЯ КУЛЬТУРА НЕМЦЕВ СИБИРИ Омск 2013 1 УДК 94(57) ББК 63.3(253=Нем)+63.5(253=Нем) Б82 Рецензенты: доктор исторических наук И. В. Черказьянова, кандидат исторических наук И. А. Селезнева Бетхер, А. Р. Б82 Хозяйство и материальная культура немцев Сибири : монография / А. Р. Бетхер, С. Р. Курманова, Т. Б. Смирнова ; под общ. ред. Т. Б....»

«ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА (Часть 1) ОТЕЧЕСТВО 2011 УДК 520/524 ББК 22.65 И 90 Печатается по рекомендации Ученого совета Астрономической обсерватории им. В.П. Энгельгардта Научный редактор – акад. АН РТ, д-р физ.-мат. наук, проф Н.А. Сахибуллин Рецензенты: д-р. физ.-мат. наук, проф. Н.Г. Ризванов, д-р физ.-мат. наук, проф. А.И. Нефедьева Коллектив авторов: Нефедьев Ю.А., д-р физ.-мат. наук, проф., Боровских В.С., канд. физ.-мат. наук, доц., Галеев А.И., канд. физ.-мат. наук, Камалеева...»

«Е.А. Урецкий Ресурсосберегающие технологии в водном хозяйстве промышленных предприятий 1 г. Брест ББК 38.761.2 В 62 УДК.628.3(075.5). Р е ц е н з е н т ы:. Директор ЦИИКИВР д.т.н. М.Ю. Калинин., Директор РУП Брестский центр научно-технической информации и инноваций Государственного комитета по науке и технологиям РБ Мартынюк В.Н Под редакцией Зам. директора по научной работе Полесского аграрно-экологического института НАН Беларуси д.г.н. Волчека А.А Ресурсосберегающие технологии в водном...»

«Г.М. Федоров, В.С. Корнеевец БАЛТИЙСКИЙ РЕГИОН Калининград 1999 Г.М. Федоров, В.С. Корнеевец БАЛТИЙСКИЙ РЕГИОН: СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ И СОТРУДНИЧЕСТВО Калининград 1999 УДК 911.3:339 (470.26) Федоров Г.М., Корнеевец В.С. Балтийский регион: социальноэкономическое развитие и сотрудничество: Монография. Калининград: Янтарный сказ, 1999. - 208 с. - ISBN Книга посвящена социально-экономическому развитию одного из европейских макрорегионов – региона Балтийского моря, на берегах которого...»

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В.Н. ШИХИРИН, В.Ф. ИОНОВА, О.В. ШАЛЬНЕВ, В.И. КОТЛЯРЕНКО ЭЛАСТИЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ И КОНСТРУКЦИИ Монография ИЗДАТЕЛЬСТВО Иркутского государственного технического университета 2006 УДК 621.8+624.074: 539.37 ББК 22.251 Ш 65 Шихирин В.Н., Ионова В.Ф., Шальнев О.В., Котляренко В.И. Ш 65 Эластичные механизмы и конструкции. Монография. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. – 286 с. Книга может быть полезна студентам,...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Московский государственный университет экономики, статистики и информатики (МЭСИ) Кафедра Лингвистики и межкультурной коммуникации Е.А. Будник, И.М. Логинова Аспекты исследования звуковой интерференции (на материале русско-португальского двуязычия) Монография Москва, 2012 1 УДК 811.134.3 ББК 81.2 Порт-1 Рецензенты: доктор филологических наук, профессор, заведующий кафедрой русского языка № 2 факультета русского языка и общеобразовательных...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.