CC BY
12
© Г.Ш. Хазанович, В.В. Витковский, 2012
УДК 622.619
Г.Ш. Хазанович, В.В. Витковский
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ПОГРУЗОЧНЫХ МАШИН НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Показана необходимость создания модельной установки для исследования и автоматизации рабочих процессов погрузочных машин непрерывного действия. Рассмотрены критерии моделирования, ограничения в работе машины. Представлена схема установки, выявлены факторы, влияющие на производительность. Ключевые слова: погрузочная машина с нагребающими лапами, автоматическое управление подачей, физическое моделирование, критерии подобия, схема гидрокинематическая.
Обшие положения. В состав проходческих комплексов, применяемых при буровзрывном способе проведения горных выработок, входят погрузочные машины (ПМ), от безаварийности и производительности которых зависит эффективность работы всего комплекса оборудования.
Погрузочные машины типа ПНБ хорошо зарекомендовали себя за годы эксплуатации. В настоящее время доля погрузочных машин такого типа на территории Восточного Донбасса составляет 60 %. Неоднократно предпринимались попытки автоматизировать работу ПМ, были предложены различные варианты устройств и принципов автоматического управления.
Управлять машиной необходимо по законам поддержания максимальной производительности и при допустимом уровне нагрузок рабочего органа.
Изучение физических явлений в приводах машины и отработка устройств автоматического управления на реальной машине в условиях шахты является довольно затруднительным в связи с необходимостью испытания од-
ного и того же устройства в различных условиях (крупность куска, крепость погружаемой горной массы, продолжительность работы...) и высокой стоимостью подобных экспериментов.
На кафедре ТМО Шахтинского института (филиала) Южно-Российского Государственного технического университета, разрабатывается масштабная модель, имитирующая работу реальной погрузочной машины. При разработке модели использована техническая документация погрузочной машины 2ПНБ-2 [1].
Критерии моделирования. Настоящий расчет базируется главным образом на результатах исследований производительности и сопротивления при взаимодействии плиты со штабелем, а также методике моделирования [2, 3].
Условия физического моделирования рабочего процесса машины вытекают из основных положений теории подобия [3]:
1) главные критерии подобия для модели и оригинала должны быть числено равны;
2) процесс взаимодействия рабочего оборудования со средой в модели
и оригинале должен принадлежать к одному классу явлений;
3) модель и оригинал должны быть геометрически подобны;
4) начальные и граничные условия, характеризующие процесс, в модели и оригинале должны быть соответственно подобны.
Критерии подобия установлены методом анализа размерностей. Главные из них:
Безразмерные величины: угол естественного откоса ф; угол внутреннего трения р; угол наклона плиты питателя а; коэффициент трения, сцепления к; углы, характеризующие геометрию лап; коэффициент крепости породы {;
Безразмерные соотношения, характеризующие линейные размеры:
бодного падения; N — мощность привода; F - напорное усилие.
Если обозначить линейный масштаб моделирования Я; как отношение линейных размеров натуры и модели и воспользоваться свойством, критериев моделирования Д- = const, можно получить следующие соотношения параметров натуры (н) и модели (м):
П22 = const; Qh = X3 ,
QM ю*
ю.
П25 = const; = X
или
Q
Qm
= x2
П23 = const;
П24 = const;
W
M,
h = x3 YH_
M
= x
M
Yм 4 Yн Yм
П2 II 3»J H = 3й | R = si 2? X3'5 — YM '
a ~B3 ' n5 и Fh ■ k F 1 M = X2.
где В3 — ширина захвата; Н — высота штабеля; Бл — глубина внедрения лапы; Я — радиус ведущего кривошипа; а — средний размер куска погружаемого материала; ат — максимальный размер куска;
Безразмерные комплексы, связывающие основные параметры машины:
№
Соотношение мощностей приводов и производительностей машин: NH =x ун QH
п =_q п = Q
п21 гтЭ ' п22
B3 B3
B3 ю П В y'
п =-M
П В Y'
П2Б =
g
B ю2
где д — объем единичного нагреба-ния; О — производительность рабочего органа; ю — угловая скорость ведущих дисков; V — сопротивление внедрению питателя; у — плотность материала; М — момент на валу ведущих дисков; д — ускорение сво-
^м Yм Фм
Так как плотность материала погружаемого моделью равна плотности, материала с которым обычно работает ПМ в условиях выработки, то:
Ъ- = 1.
Yм
Описание установки. Гидрокинематическая схема установки показана на рис. 1.
Установку условно можно разделить на три части:
1) привод нагребающей части. Лапы нагребающие 1 приводятся в движение мотор-редукторами 2, через цепную передачу 3. Для постоянства разницы угла поворота между лапами,
1
4
они соединены между собой синхронизирующим валом 4.
2) привод ходовой части имитируется гидравлическим цилиндром 5, подающим корпус модели 6 вместе с плитой питателя 7 на штабель горной массы вперед и назад (схема управления гидроцилиндром 5 представлена на рис. 2). Ролики 8 позволяют изменять положение установки относительно штабеля вправо и влево, (данное движение осуществляется вручную). Гидроцилиндры 9 позволят изменять угол наклона плиты питателя, что необходимо для имитации работы машины при различных углах наклона почвы выработки. Поворотный механизм 10 позволяет изменять угол машины относительно оси выработки.
Подача масла от насоса Н на гидроцилиндр осуществляется через гидроблок А, который может быть заменен электро-гидро-золотником, подключенным к устройству автоматического управления.
3) привод конвейера заменен люком в плите питателя 10, количество
погруженного материала будет измеряться с помощью мерной емкости, подставленной снизу.
Измерительная часть. При разработке устройств управления погрузочными машинами необходимо знать физические основы и математическое описание процессов взаимодействия рабочего органа погрузочной машины со штабелем, изучить динамические процессы в приводах реальной машины.
Основной зависимостью, которую необходимо установить в результате эксперимента является [4]:
дв. н.ч.= Дф), где /^ дв. н.ч. — суммарный ток двигателей нагребающей части, ф — угол поворота лапы.
Кроме угла поворота необходимо учитывать влияние и некоторых других факторов:
• глубина внедрения плиты в штабель горной массы — 5, м (измеряется по величине выдвижения гидроцилиндра привода подачи);
• угол откоса штабеля — а, град;
• высота штабеля — Н, м (с помощью специального измерительного оборудования);
• порядковый номер черпания —
N.
черп
(фиксируется датчиком, установленном на валу мотор редуктора);
• величина среднего куска горной массы — ё, м (с помощью специального мерного сита)
• порядковый номер внедрения — №внедр (определяется с помощью датчика, соединенного с манометром гидравлической части ПМ)
Следовательно необходимо экспериментально исследовать следующие зависимости:
дв. н.ч.= ау ^черп ^внедр)-
Основным критерием качества управления является производительность О. Определять ее необходимо при сформированной системе ограничений.
Ограничения в работе ПМ: число включений; температура двигателей; нагрузка на приводах; глубина внедрения питателя в штабель; пропускная способность конвейера; временная задержка в канале управления; усилие подачи.
Нагрузка на приводах измеряется, датчиками, установленными на мотор-редукторах. Температура двигателей измеряется косвенно. Необходимо также учитывать случайную составляющую нагрузки, которая может возникнуть в процессе выгрузки штабеля (интегрально, или по средней величине).
Для определения наиболее производительного способа подачи необходимо провести опыты для:
1) ручного режима подачи;
2) режима подачи с помощью устройства автоматического управления:
а) для режима, подобранного с помощью компьютерного моделирования;
б) режима подобранного вручную.
Выволы. Установка позволит:
1) разработать устройство автоматического управления подачей, что приведет к повышению производительности труда и конкурентоспособности машин типа ПНБ
2) изучить динамические процессы в узлах машины, для дальнейшего усовершенствования конструкций машин типа ПНБ.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Проект ГОСТа «Машины погрузочные шахтные» (взамен ГОСТ — 6322—61 и ГОСТ 6933-62), Кривой Рог, 1968
2. Расчет производительности, статических нагрузок и мощности двигателей рабочих органов погрузочных машин с парными нагребающими лапами. Отраслевой руководящий технический материал. — М., 1970 (Составлен Новочеркасским политехническим институтом и институтом Ги-прорудмаш).
3. Алабужев П.М., Геронимус В.Б., Минкевич Л.М., Шеховцов Б.А. Теории подобия и размерностей. Моделирование. — М.: Высшая школа, 1968. — 208 с.
4. Хазанович Г.Ш., Ляшенко Ю.М., Никитин Е.В. Методика эксперимента в исследованиях процессов погрузки и транспортировки кусковых пород: Учебно-методическое пособие / Шахтинский ин-т ЮРГТУ (НПИ). — Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2003. — 150 с. 1Ш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Хазанович Г.Ш. — доктор технических наук, профессор кафедры «Технологические машины и оборудование», е-шаИ: hazanovich@rambler.ru,
Витковский В.В. — аспирант кафедры «Технологические машины и оборудование», е-шаП: 1vadim@inbox.ru.
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасский политехнический институт), siurgtu@ siurgtu.ru
