Настройка положения опор методом триангуляции при сборке секций геохода Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

1Аксенов В.В., д.т.н., 2 Вальтер А.В., к.т.н., 2 Лагунов С.Е., студент 1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук» 2ГОУ ВПО «Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета»

УДК 621.791.92

Настройка положения опор методом триангуляции при сборке

секций геохода

Введение

Постановка на производство нового вида горнопроходческой техники - геоходов -связана с разработкой новых технологических решений в области методов и средств реализации процессов изготовления и контроля

продукции [1]. В ряду обусловленных этим задач в ы д е л я е т с я з а д а ч а о б е с п е ч е н и я геометрической точности оболочек секций геохода в процессе их сборки. Секции геохода являются базовыми несущими элементами конструкции геохода, взаимодействующими

Головная секция

Ставил и 1ирукмшл секция

Ijmük

ОбшНМ ВИЛ ГСРХОЛЯ

Г'и.'шшшя сек и ISN

Стлбнлн ¡нруюшэ И Секцкя

Рис. 1. Общий вид геохода и секций (по материалам [8])

Сечение номцншьниго цилиндра

Общий центр роошохвшопор

Рис. 2. Схема положения опор при сборке секций геохода

всей наружной поверхностью (оболочкой) с геосредой (рис. 1) и от их геометрической точности зависят эксплуатационные характеристики машины [2-6].

В работе [7] предложен метод обеспечения точности оболочек секций геохода на этапе сборки, заключающийся в обеспечении такого положения секторов секций, при котором поверхности оболочек будут соответствовать предъявляемым требованиям точности. Метод основан на базировании секторов по заранее установленным с определенным допуском опор сборочного приспособления. При этом необходимо обеспечить точность расстояния 1600 мм от общего центра опор до каждой опоры с точностью в пределах ±3 мм (рис. 2).

В настоящее время осуществляется подготовка к опытному производству геохода. Опытное производство в силу своих особенностей ставит задачу обеспечения и контроля точности положения опор без применения специальных и дорогостоящих средств контроля.

В ходе реализации комплексного проекта №02^25.31 .0076 по постановке на производство геоходов было предложено решение поставленной задачи, основанное на настройке положения опор путем измерения расстояний между опорами и вычисления координат методом триангуляции.

Схема настройки положения опор Расстановка опор соответствует решению, приведенному в работе [7]. Настройку опор методом предложено выполнять по схеме, приведенной на рисунок 3. Суть метода заключается в расстановке первых трёх опор (1, 6 и 4) на заданные расстояния, после чего полученный треугольник считается базовым, одна из его вершин принимается за начало отсчета системы координат, а ось системы координат совмещается со стороной базового треугольника. Далее последовательно выставляются остальные опоры на двух заданных расстояниях от вершин одной из сторон базового треугольника. Для повышения точности необходимо стремиться к тому, чтобы образующиеся в процессе контроля треугольники были максимально близкими к равносторонним. По известным расстояниям могут быть определены координаты каждой опоры относительно выбранной системы координат.

Настройка опор методом триангуляции выполняется в следующей последовательности:

• установка опоры 1 и её фиксация;

• установка опоры 6 на заданном расстоянии L16 и её фиксация;

• установка опоры 4 на заданных расстояниях L14 и L46, её фиксация;

• установка опоры 5 на заданных расстояниях L15 и L56, её фиксация;

• установка опоры 7 на заданных расстояниях L67 и L17, её фиксация;

• установка опоры 8 на заданных расстояниях L18 и L68, её фиксация;

• установка опоры 2 на заданных расстояниях L12 и L26, её фиксация;

• установка опоры 3 на заданных расстояниях L13 и L36, её фиксация.

Контроль расстояний может осуществляться универсальным мерительным инструментом например, штангенциркулем. Измеряемые расстояния не превышают диаметр секции геохода (3200 мм). Государственными стандартами не предусмотрены штангенциркули с диапазоном измерений свыше 2000 мм, однако по техническим условиям промышленно выпускаются штангенциркули с диапазоном измерений до 5000 мм и выше.

Методика расчетов Для реализации предложенной схемы настройки опор необходимо численно определитьрасстояния между опорами L14... L36. Если задать в качестве начала системы координат некоторый общий центр опор, то координаты каждой из опор могут быть определены по следующим выражениям:

— . ( —

а"3 ы

2 _Е.■ >-1 = >-6 =--;

4

Хз = X4 = ;

2'

>2 = >5 = 2;

(1)

_• >3 = >4 =Л Г

4 ;

Х7 = Х8 =2 ;

>7 = >8 = _\ Г

2 а

4

где г - расстояние опор от общего центра;

а - расстояние между соседними опорами.

Ра сстоя н ия для н астрой ки оп ор определяются выражениями:

]16 =л/4г^ - а2;

_ _ - 2 а а

А4 = ^ = Т _ Т +

]46 = ]17 = L68 = L13 = ]15 = L26 = 2г; L56 = L12 = а;

(2)!

] = ] = 2г 2 _ а___а.

L67 = ^ = у2г 2 72"

а

а

2

а

2

2

2

Х5 = Х6 = Л Г

4

а

I Постройка опор йепо&ого ¡треугольника

I

хХ/3

Л

х2у2

А

/

Л

/

/ I

/ \

ШоЫ! щщгог&т \

/ л

XI у1

Л Шсфяге7

х2.у2

А

*1уЗ

к4,у4

к

л5у5

У к

1\16

ч** >

К?, у?

х&.у6

Ш

$ Шстйхо опоры ?

2. Настроим опери 5

*2,у2

У1

( Нхтрситаюрыв

х2у2

А

х1уЗ

Л

уЬ

к

176

XIУ1

у*

Рис. 3. Схема к настройке опор приспособления методом триангуляции

Для установления точности расстановки опор необходимо вычислить фактическое положение центра опор и действительные отклонения расстояний от опор до общего центра, с последующей корректировкой их положения в случае необходимости.

Выражения описывают номинальные координаты и размеры при настройке опор, однако вследствие неизбежных погрешностей действительные координаты будут отличаться от номинальных. Установив начало системы координат с опорой 1, как на рисунке 3 получим следующие действительные координаты для базового отрезка:

Х1 — 0; Х4 — L46

У1 — 0; y4 — 0.

(3)

И м е я к о о р д инаты одного

базового отрезка можно последовательно определить координаты остальных точек, получив решение системы:

Ха Xai

1+(Уа - Уа1 )2 — La1 (Ха - Ха 2 )2 +(Уа - Уа 2 ) — La

; (4)

где - хд, У - координаты определяемой точки;

хд1,уд1 - координаты первой точки базового отрезка;

х ,у - координаты второй точки базового отрезка;

1-д1,Ц2 - расстояние от первой и второй точки базового отрезка соответственно до определяемой точки.

Для контроля требования обеспечения расстояния от центра до каждой из опор необходимо установить действительные координаты этого центра. Определим его как центр аппроксимирующей окружности. Предложено достаточно большое количество различных способов нахождения аппроксимирующей окружности, их обзор приведен в работе [9]. Используя метод наименьших квадратов можно записать:

Хо —

Уо =

W N22 - W N12

N N - N N

11 22 12 21

W N11 - W1N21

N11N22 - N12 N

(5)

21

где

xn

и Уо

координаты центра

аппроксимирующеи окружности;

X и y - координаты точек опор;

n - количество опор; N11, N22, N12, N21, W1, W2 -промежуточные величины, вычисляемые из выражении:

у

N11 — 2

\

Л

£ x? -IS

x,

i —1

. i—1 У

N 22 — 2

>2\

£ у2 - - (£ У1

i—1

. i —1 У

(6)

( И 1 n n

N12 — N21 — 21 £ Х,.у. —£ Xi £ yi

n i—1 i—1 у

nn

nn

1 n n 1

W— £ x3 + £ xi y2 —£x-2 £ xi --£ y2 £ x;

i —1 i —1 nn

Xv, --£xi___

i—1 i—1 n i—1 i—1 n i—1 i —1

1 n n 1 n n W2— £ y,3 + £ x2 у---£ x £ у- —£ у,2 £ у-.

Н а основе известных координат центра аппроксимирующей окружности могут быть определены действительные значения расстояний от центра до каждой из опор:

Г

J^O-^T+iyO-yJ.

(7)

Оценка погрешностей настройки опор методом триангуляции. Приведенные выше выражения не учитывают погрешностей неизбежно возникающих при измерении расстояний между опорами. Поэтому для оценки погрешностей и определения требований к точности измерения расстояний необходимо оценить максимальные отклонения расстояния опор относительно их общего центра. Учитывая случайный характер возникающих погрешностей, их величину следует оценивать статистическими методами аналогично методам, примененным в работе [10]. Однако, учитывая опытный характер _ производства геоходов на современном этапе, интерес представляет оценка максимальных значений погрешностей [11].

Поскольку центр аппроксимирующей окружности находится из условия £ обеспечения минимального отклонения квадратов расстояния от точек до центра, максимально возможная погрешность отклонения положения опоры будет меньше максимального отклонения отдельной опоры, определяемого погрешностью измерений:

Amax ' - £ 1 П];

Amax — maX {А ^ 1 - П]}

(8)

i—1

Таким образом, Дтах является верхней оценкой погрешности. Для определения величины Д maxнеобходимо установить значения отклонений для каждой из опор. На рисунке 4 приведена схема к определению отклонений опоры №4.

и

-Bibг

V

Л?

'-¡тип

Рис. 4. Схема к определению отклонений положения опор

Согласно схеме отклонение положения опоры определяется расстоянием между крайними точками области возможного положения опор:

д.—

4

Xe1 Xe2

)2 + (Уe1 - Уе2 )2; (9)

где х , х , у , у - координаты крайних точек области.

Координаты могут быть найдены из следующих уравнений:

Уе1 —

2

L.

Р\ Lbmin )(Р\ L1min )(p1 L2max );

Xe1 — VL1min Уе1 ;

где

К1, хе2, Уе 1, Уе2- координаты крайних точек

\ф

области.

По аналогичным схемам и выражениям могут быть найдены отклонения положения для каждой из опор наладки. На рисунке 5 приведены зависимости отклонения положений опор от погрешности измерения расстояний между опорами (погрешность измерения для всех расстояний принята одинаковой).

Как следует из графика на рисунке 5 характер зависимости близок к линейному в исследуемом диапазоне аргумента. Причем интенсивность влияния погрешности измерений на отклонения для разных опор различна. Наибольшие отклонения наблюдаются для опоры №8. Расчеты показывают, что для обеспечения точности расстояния 1600 мм от общего центра опор до каждой опоры с точностью в пределах ±3 мм необходимо обеспечить погрешность измерения, не

4

(ни)

Опора М-8

Опора №2 Опоры №3, №7 ч Опора №4 Опора №5

Опора jVi2

о.з

t (мм)

0.5

Уе2 — т^ Vp2 (Р2 - Lbmax )(Р2 - Amax )(Р2 - L2min );

L

b max

Хе2 — VL1max Уе 2 ; р1 (Lbmin + L1min + L2max );

Р2 (Lbmax + L1max + L2min )'

Рис. 5. Влияние погрешности измерений на отклонения опор (г = 1600 мм, а = 1600 мм)

превышающую 0,497 мм.

Выводы:

1. Для обеспечения точности сборки корпуса геохода по методике, предложенной в [7] необходимо обеспечить скоординированное положение восьми опор. Данное положение может быть обеспечено методом триангуляции за счет настройки определенных расстояний между опорами. Для определения _ номинальных значений настроечных расстояний следует использовать выражения (2) .

2. Отклонение положения опор ь определяется относительно их общего центра, который может быть рассчитан на основе действительных значений расстояний между опорами по выражениям (4) - (6) .

3. Погрешность положения опор может быть определена из выражений (8) - (10) . В общем случае погрешность положения опор превышает погрешность измерения расстояний между опорами. Для ь характеристик геохода, указанных в работе

[8], при реализации схемы, приведенной в работе [7], погрешность измерения расстояний не должна превышать значения 0,497 мм.

Полученные результаты достигнуты в ходе реализации комплексного проекта при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ. Договор №02.G25.31.0076.

Списокиспользованныхисточников

1. Аксенов В.В., Вальтер А.В. Специфика геохода как предмета производства // Научное обозрение. - 2014. - Т. 8. - № 3. - С. 945-949.

2. Аксенов В.В. Компоновочные решения машин для проведения горных выработок на основе геовинчестерной технологии / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Бегляков, П.В. Бурков, М.Ю. Блащук, А.В. Сапожкова // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 1. - С. 251-259.

3. Аксенов В.В. Разработка требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов,

A.Б. Ефременков, В.Ю. Бегляков, М.Ю. Блащук,

B.Ю. Тимофеев, А.В. Сапожкова // Горное оборудование и электромеханика. - 2009. - № 5. - С. 3-7.

4. Аксенов В.В. Формирование требований к основным системам геохода / В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, В.Ю. Садовец, В.Ю. Тимофеев, М.Ю. Блащук, В.Ю. Бегляков// Горный информационный аналитический бюллетень (научно-технический журнал) Mininginformationalandanalyticalbulletin (Scientificandtechnicaljournal). Перспективы развития горно-транспортных машин и

оборудования. - 2009. - № ОВ 10. - С. 107-118.

5. Ананьев К.А. Определение зависимости геометрических параметров барабанов разрушения забоя от угла их установки на геоходе / К.А. Ананьев, В.В. Аксенов, А.А. Хорешок, А.Н. Ермаков // Вестник кузбасского государственного технического университета. - 2014. - № 2 (102). - С. 3-5.

6. Аксенов В.В.,Садовец В.Ю., Резанова Е.В. Синтез технических решений нового класса горнопроходческой техники // Известия высших учебных заведений. Горный журнал. - 2009. - № 8. - С. 56-63.

7. Аксенов В.В., Вальтер А.В., Бегляков В.Ю. Обеспечение геометрической точности оболочки при сборке секций геохода // Обработка металлов. - 2014. - № 4 (65). - С. 1928.

8. ФЮРА. 612322.401.0.00.00.000ПЗ. Геоход. Технический проект. Пояснительная записка. - Юрга: ЮТИ ТПУ, 2014. - 238 с.

9. Айриян А.С. Быстрые алгоритмы оценки параметров колец черенковского излучения в детекторах типа RICH / А.С. Айриян, С.А. Багинян, Г.А. Ососков, К. Хёне// Вестник ТвГУ. Серия: Прикладная математика. - 2007. - № 3 (6). - С. 15-28.

10. Лесных Н.Б. Предельные ошибки измерений / Н.Б. Лесных, Г.И. Лесных, А.Л. Малиновский // ИнтерЭкспо Гео-Сибирь. -

2011. - Т. 1. - № 1. - С. 26-31.

11. Серых В.И., Гребцова Л.В. Метод обоснования требований к точности средств измерительного контроля // Вестник СибГУТИ. -

2012. - № 1. - С. 30-40.

1В.Ю. Садовец, к.т.н., 2В.В. Аксенов, д.т.н., 3В.Ю. Бегляков 1Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева 2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт угля Сибирского отделения Российской академии наук» 3ГОУ ВПО «Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета»

УДК 622.002.5

Разработка модели взаимодействия ножевого исполнительного органа геохода с геосредой

Проведение горной выработки рядом авторов [1, 2] рассматривается как процесс движения твердого тела в твердой среде. Данный подход лежит в основе геовинчестерной технологии проведения горных выработок, базовым функциональным элементом которой является геоход.

Геоход - аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды. Представляя собой новый самостоятельный класс горных машин, геоходы

предназначены для проходки горных выработок различного назначения и расположения в подземном пространстве.

Конструктивные, технические и технологические особенности геоходов, а также оценка влияния этих особенностей на методику расчета его силовых параметров приведены в работе [3].

Конструктивная схема одного из геоходов представлена на рисунке 1.

Для проходки подземных выработок на