CC BY
23
УДК 62-119.2
ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ МАНИПУЛЯТОРОВ ЩИТОВЫХ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
JI.B. Лукиенко, К.В. Гальченко
Рассмотрены вопросы определения рациональных параметров шахтного манипулятора. Предложены зависимости для определения возможного перемещения выходного звена манипулятора, основанного на методе замкнутых векторных контуров, которые позволяют оперативно определить положение выходного звена манипулятора.
Ключевые слова: манипулятор, синтез геометрических параметров, гидроцилиндры.
В связи со значительным увеличением транспортных потоков в современных городах резко возрастает необходимость развития подземного транспорта. Эта важная народно-хозяйственная задача может быть решена за счёт строительства дополнительных линий метро. Только по программе развития московского метрополитена до 2020 года планируется построить 160 км линий метро и 78 новых станций согласно постановлению правительства Москвы от 4 мая 2012 г. № 194-ПП "Об утверждении Перечня объектов перспективного строительства Московского метрополитена в 2012-2020 гг.".
Необходимость интенсификации производства, а также современные требования к производству промышленных работ предполагают повышение безопасности труда при снижении трудозатрат обслуживающего персонала. Решение этой важной научно-технической задачи может быть достигнуто за счёт модернизации щитовых проходческих комплексов, при помощи которых ведётся строительство линий подземного метрополитена.
На работу щитового проходческого комплекса оказывает значительное влияние операция крепления проходимых горных выработок. Для этого в настоящее время применяют манипуляторы в различном конструктивном исполнении, которые, обеспечивая в целом выполнение операций закрепления выработок, имеют пониженную точность позиционирования и невысокую зону обслуживания.
Комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных в ЦНИИподземмаш и ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод», привёл к созданию щитовых проходческих комплексов для проходки тоннелей в различных условиях.
Результаты этих исследований представлены в работах Бреннера В.А., Бермана В.М., Башта Т.М., Гейера В.Г., Головина К.А., Герике П.Б., Горбушко P.M., Докукина A.B., Жабина А.Б., Киреевой В.И., Кантовича
Л.И., Клорикьяна С.Х., Киклевича Ю.Н., Лавренко С.А., Набродовой И.Н., Никитина О.Ф., Новоженина С.Ю., Полякова Ан.В., Полякова Ал.В., Подопригоры М.А., Панкратенко H.A., Подколзина A.A., Подэрни Р.Ю., Пономаренко Ю.Ф., Слюсаренко В.Е., Солода В.И., Тропина A.A., Ушакова Л.С., Юнгмейстера Д.А., Яцких В.Г. и других ученых. Анализ проведенных исследований, выполненных ими, и опыта эксплуатации щитовых проходческих комплексов показывает, что до настоящего времени не разработаны конструктивные решения для механизации крепления горных выработок, практическое использование которых позволило бы расширить зону обслуживания и повысить точность позиционирования.
Основными факторами, определяющими работу манипулятора и положение устройства захвата, являются: диаметр проходимой выработки, длины звеньев манипулятора, геометрические параметры крепления приводных гидроцилиндров, жесткость звеньев, точность доставки объекта манипулирования, необходимая зона обслуживания.
Под рабочей зоной обслуживания манипулятора для крепления горной выработки понимается возможная зона перемещения устройства захвата, зависящая от особенностей конструкции. Анализ графического моделирования зон обслуживания различных конструктивных схем показывает, что предложенная трехзвенная конструкция манипулятора наиболее перспективна, так как ее зона обслуживания превышает другие рассмотренные схемы на 65 %. Анализ проведен для схем, предназначенных для работы со значительными нагрузками (до 50 кН).
В качестве показателей, характеризующих работу манипулятора, приняты скорость, ускорение и траектория перемещаемого объекта манипулирования, а также нагруженность элементов манипулятора. Для обоснования и выбора параметров разработана математическая модель работы манипулятора, расчётная схема которой представлена на рисунке 1. Математическая модель основана на методе замкнутых векторных контуров теории механизмов и машин. Модель описывает линейные и угловые перемещения устройства захвата, а также рабочую зону обслуживания с учетом возможных траекторий перемещения.
При составлении модели были использованы некоторые допущения: материал является изотропным, идеально упругим, полностью заполняющим весь объем тела без каких-либо пустот; деформации элементов считаются малыми; перемещения точек тела пропорциональны нагрузкам, вызывающим эти перемещения.
Положение устройства захвата манипулятора описывается уравнениями (1-5), определяющими длину и угол отклонения от плеча манипулятора результирующего вектора:
У
Рис. 1. Расчётная схема математической модели манипулятора: АВ - длина плеча манипулятора; ВС - длина предплечья манипулятора: СХ) - длина руки манипулятора; а -угол между звеном АВ и ВС; /? -угол между звеном ВС и СХ); е,/, пи
т - расстояния определяющие точки крепления гидроцилиндров; %ик- длины гидроцилиндров; й- расстояние от базовой точки манипулятора до выходного звена; у-угол между плечом АВ и й; х и у - координаты выходного звена манипулятора; -скорости гидроцилиндров; V/, I ] - линейные скорости узлов крепления
гидроцилиндров
+ arcsm
d = a-cosy±^b +c -a -sin y-2 -b -c-cos P , y = 2-л-а + Р +
л/а2 +b2 -2a6cosa • sin(p - (\|/)) л]л/а2 +b2 -2a6cosa -(л/а2 +b2 -2a6cosa + с ■ (с - 2 ■ cos(p - \|/))j
fe2+f2-g2Л
а = arceos
2 fe
P = arceos
v
rk2-n2
m
.2 Л
\|/ = arcsm
^ 2nm j r ü • sin (X Л
(1) (2)
(3)
(4)
,- > (5)
л/о2 +Ь2 -2аЬсо$,а)
где а - длина плеча манипулятора; Ъ - длина предплечья манипулятора; с -длина руки манипулятора; а- угол между звеном а и Р -угол между звеном Ь и с; е, / и и т - геометрические параметры крепления гидроцилиндров; g и к - длина гидроцилиндра, зависящая от положения штока (переменная величина); \|/- вспомогательный угол.
Возможная площадь перемещений устройства захвата может быть описана четырехугольником, вершины которого совпадают с крайними положениями. Для определения наиболее рациональных геометрических параметров манипулятора рассчитывалась рабочая площадь возможных перемещений устройства захвата по формуле (6):
V
S
h4 + h2 + h3 - hx
hx + h4 + къ - h2
hx+h2+h4- h3
hx + h2 + къ - h4
+
(6)
+ i ((л/я2 +b2 -2-b-c- cos(Pmax ))2 - i^Ja2 + b2 - 2-b-c- cos(Pmm ))2 )• • ((a - a ) - sin (a - a )),
VV max min / V max min //"
где h], /ъ, h¡ и I14 стороны четырехугольника для расчета возможных перемещений устройства захвата манипулятора, которые можно определить по зависимостям (7) - (9):
hx=h2= с- j2-2-cos
/2
arceos
V
п +т -к
2 Л
max
V
2-п-т
arceos
V
К
а + b -2-b-c- eos
/2
arceos
v
n + m -k
v
2-n-m
n2 +m2 -kl
2-n-m
\
x
J J
2 Л
min
JJ
(V) (8)
/
х ¡2-2- eos
arceos
Ае2 + f2-g2 л
J о шах
V
V
2-e-f
arceos
re2+f2-g2. лл
J О min
v
2-e-f
J J
K =
f
a~ + b~ - 2 ■ b ■ с ■ eos
rn2+m2-k2 лл
arceos
v
V
2-n-m
J J
x
x ¡2-2- eos
arceos
Ae2+ f'-g2 л
J o max
v
v
2-e-f
arceos
re2+f2-g2. ЛЛ
J O min
v
2-e-f
J J
(9)
S 10,3
s
I
и
■s 10,25
í
щ
E
S 10,2
0 10,1
1
2
iN
3000 I
2900 s
i Ü i ™
3150 3200 3250 3300 3350
длина предплечья гданипулятпра гдгд
Рис. 2. Зависимости линейного перемещения точки крепления захватного устройства (1) и полезной площади возможных перемещений выходного звена (2) от длины предплечья и руки
манипулятора
Полезная площадь перемещений устройства захвата - это площадь его возможных перемещений, ограниченная не только особенностями конструкции, но и условиями эксплуатации манипулятора.
Анализируя зависимости, представленные на рис. 2, можно сделать вывод, что при синтезе трехзвенного рычажного манипулятора необходимо принимать геометрические параметры предплечья в диапазоне 3150-3250 мм, при этом значения полезной площади возможных перемещений выходного звена и линейного перемещения являются оптимальными, так как в данном диапазоне колебания этих параметров минимальны.
Для определения прочностных параметров манипулятора в работе использован программный комплекс АРМ WinMaclline.
При исследовании напряжено-деформированного состояния манипулятора использованы балочные стержневые элементы, работающие на растяжение, сжатие и изгиб. Выбор балочных стержневых элементов обоснован тем, что длины элементов намного больше их сечения.
Проведенный анализ влияния различного расположения гидроцилиндров на характер распределения напряжений в коробе манипулятора привел к выводу о необходимости учитывать данный параметр, так как он оказывает решающее влияние на жесткость конструкции. Результаты расчета показывают, что при увеличении жесткости гидроцилиндров возрастает суммарное перемещение устройства захвата манипулятора на 2-3 % за каждые 250 Н/мм повышения жесткости.
При исследовании зависимости перемещения захвата манипулятора, обусловленного приложенной нагрузкой и размерами сечения звеньев манипулятора, от положения гидроцилиндров и геометрических параметров звеньев была рассмотрена конструктивная схема трехзвенного манипулятора в двух вариантах исполнения, отличающихся геометрическими параметрами (рис. 3). Необходимо отметить, что увеличение длины предплечья уменьшает перемещение устройства захвата манипулятора, а увеличение длины гидроцилиндров уменьшает его перемещение. При выборе длины Ь в диапазоне от 1000 до 1200 мм перемещение устройства захвата минимально.
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
Расстояние от кинематической пары, соединяющего плечо с преплесчьем манипулятора, мм
Рис. 3. Зависимость максимального перемещения выходного звена от положения гидроцилиндров: 1, 2 - вариант исполнения с геометрическими размерами а(1000)_Ь(3500)_с(2514); 3,4 - вариант исполнения с геометрическими
размерами а(1000)_Ь(2928)_с(2923)
Исследование прочности показывает, что наиболее нагруженной точкой является гидроцилиндр, соединяющий предплечье и руку манипулятора, жесткость конструкции в этом месте составляет 79,1 кН/мм. В точке приложения к манипулятору внешней нагрузки жесткость конструкции составляет 34 кН/мм. Для повышения точности перемещения выходного звена манипулятора при проектировании необходимо стремиться к увеличению длины плеча до 1100 мм и жёсткости гидроцилиндров до 4000 Н/мм.
На величину коэффициента запаса прочности определяющее влияние оказывает увеличение площади сечения звеньев манипулятора. При этом следует стремиться к обеспечению необходимой и достаточной прочности при минимальной металлоёмкости проектируемой конструкции. Анализ влияния размеров звеньев манипулятора и вариантов его сечения позволил сделать вывод, что для достижения минимального перемещения устройства захвата необходимо и достаточно иметь профиль звена с геометрическими размерами 200x225 мм и толщиной стенки 20 мм.
В качестве критерия оценки эффективности конструкторских решений при проектировании трехзвенного манипулятора для крепления горной выработки целесообразно принять отношение длины предплечья к рабочей зоне обслуживания в пределах от 1,059 до 1,066. Дальнейшее увеличение этого критерия значительно снижает длину линейного перемещения устройства захвата вдоль оси выработки и таким образом уменьшает возможность крепления нескольких колец обделки без дополнительных технологических маневров.
Для достижения кратчайшей траектории движения устройства захвата манипулятора необходимо выполнение условия
где Sg - ход поршня гидроцилиндра 1 (см. рис. 1), необходимого для перемещения выходного звена в заданную точку, Sg=gK-gH; Sk - ход поршня гидроцилиндра 2, необходимого для перемещения выходного звена в заданную точку, SK=kK-kH; t¡ и (?- время работы гидроцилиндров 1 и 2.
Установлено, что достижение кратчайшей траектории обеспечивается при t]=t2. Для определения Sg и Sk, задавшись начальным положением длины гидроцилиндров и конечными координатами доставки транспортируемого груза и используя метод замкнутых векторных контуров, установим значения необходимой раздвижности первого (gK) и второго (кк) гидроцилиндров.
Начальные координаты точки нахождения выходного звена манипулятора определяются по выражениям
хн = d • sin у, (11)
yH=í/-cosy. (12)
Координаты конечной точки выходного звена манипулятора хк и ук задаются исходя из необходимого перемещения
(13)
(14)
кк = Jn~ + т~ - 2 -п ■ т • cos|3,
gK=ie~ +f~ - 2- е- f ■ cosa .
£
ч: =
s
r
S £
180
170
160
150
140
- 130
120
- 110
100
CJ
£
i а Is
о ■-
z
CJ
70
90 110 130 150 170
Скорость перемещения устройства захвата, мм/с
Рис. 4. Зависимости скорости перемещения выходного звена от скорости перемещения устройства захвата от двух гидроцилиндров (1), устройства захвата от первого гидроцилиндра (2) и устройства захвата от второго гидроцилиндра (3)
Анализ зависимостей (рис. 4) показывает, что для перемещения объекта манипулирования в пространстве целесообразнее использовать первый гидроцилиндр по отношению ко второму, так как скорость перемещения выходного звена манипулятора при работе первого гидроцилиндра имеет значительно большую скорость. Для минимизации возможности ударных нагрузок при подводе объекта манипулирования к месту установки необходимо в большей степени использовать второй гидроцилиндр, который определяет движение выходного звена.
По результатам проведенных исследований разработана методика расчета параметров шахтного манипулятора для крепления горных выработок при проходке щитовым проходческим комплексом, отличающаяся тем, что она позволяет на стадии проектирования сравнивать различные параметры манипулятора и давать оценку различным конструктивным вариантам без проведения экспериментальных исследований.
Список литературы
1. Механика промышленных роботов/ Е.И. Воробьев [и др.]// Т. 3. М.: Изд-во «Высшая школа», 1989. 382 с.
2. Бурдаков С.Ф., Дьяченко В.А., Тимофеев А.Н. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов. М.: Высш. шк, 1986. 264 с.
3. Алюшин Ю.А., Рачек В.М., Вержанский П.М. Кинематический и динамический анализ типовых трех-звенных манипуляторов// ГИАБ. 2009. №12. С. 474-488.
4. Воробьев В.П., Попов С.А., Шевелева Г.И. Механика промышленных роботов: в 3 кн. Кн. 1. Кинематика и динамика. М.: Высшая школа, 1988. 304 с.
5. Лагерев И.А., Лагерев A.B. Динамический анализ трехзвенного гидравлического крана-манипулятора//Вестн. БГТУ. 2011. №3. С. 9-16.
6. Механика промышленных роботов. В трех книгах под редакцией К.В. Фролова, E.H. Воробьева. М.: Высшая школа, 1988.
7. Петров Б.А. Манипуляторы// Машиностроение, Ленингр. отд-е. 1984.238 с.
8. Никифоров С.О. Исследование кинематических и динамических свойств исполнительных рабочих органов манипулятора: дис. ... канд. техн. наук. Л.: ЛИИ, 1976. 136с.
9. Никифоров С.О., Смольников Б.А. Оптимизация параметров трехзвенного манипулятора//Робототехника. 1976. С. 50-54.
10. Никифоров С.О., Мархадаев Б.Е. Точностные модели промышленных роботов // Вестник машиностроения. 1989. № 6.С. 22-25.
11. Бурдаков С.Ф., Дьяченко В.А., Тимофеев А.Н. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов. М.: Высш. шк., 1986. 264 с.
12. Челпанов И.Б. Устройство промышленных роботов. Л.: Машиностроение, 1990. 223 с.
13. Кобринский A.A., Кобринский А.Е. Манипуляционные системы роботов: Основы устройства, элементы теории. М.: Наука, 1985. 314 с.
14.Лукиенко Л.В., Гальченко К.А. Влияние конструктивных параметров шахтного манипулятора на перемещение выходного звена// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 2. С. 27-34
15. Лукиенко Л.В., Гальченко К.В. Манипулятор для крепления горных выработок, обеспечивающий повышение эффективности щитовых проходческих комплексов// Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. Вып. 4. С. 198-209.
Лукиенко Леонид Викторович, д-р техн. наук, доц., зав. кафедрой, hikienko Ivamail.г и, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Галъченко Константин Викторович, асп., hikienko I vamail. г и, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт (филиал) Российского химико-технологичекого Университета им. Д. И. Менделеева
JUSTIFICATION AND CHOICE OF PARAMETERS OF MANIPULATORS OF SHIELD PASSING COMPLEXES FOR MOUNTING OF MINING PROCESSING
L. V. Lukienko, К. V. Galchenko
The problems of determining the rational parameters of a mine manipulator are considered. Dependencies are proposed for determining the possible movement of the output link of the manipulator, based on the method of closed vector contours, which allow the operative determination of the position of the output link of the manipulator.
Key words: manipulator, synthesis of geometric parameters, hydraulic cylinders.
Lukienko Leonid Viktorovich, Doctor of Technical Science, Docent, Head of Chair hikienko I vamail. гн, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University named after L.N. Tol-
Galchenko Konstantin Viktorovich, Post-Graduate Student, hikienko I vamail. ni, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University
Reference
1. Mehanika promyshlennyh robotov/ E.I. Vorob'ev [i dr.]// T. 3. M.: Izd-vo «Vysshaja shkola», 1989. 382 s.
2. Burdakov S.F., D'jachenko V.A., Timofeev A.N. Proektirovanie manipuljatorov promyshlennyh robotov i robotizirovannyh kompleksov. M.: Vyssh. shk. 1986. 264 s.
3. Aljushin Ju.A., Rachek V.M., Verzhanskij P.M. Kinematicheskij i dinamicheskij analiz tipovyh treh-zvennyh manipuljatorov// GIAB. 2009. №12. S. 474-488.
4. Vorob'ev V.I., Popov S.A., Sheveleva G.I. Mehanika promysh-lennyh robotov: v 3 kn. Kn. 1. Kinematika i dinamika. M.: Vysshaja shkola, 1988. 304 s.
5. Lagerev I.A., Lagerev A.B. Dinamicheskij analiz trehzvennogo gidravlicheskogo krana-manipuljatora// Vestn. BGTU. 2011. №3. S. 9-16.
6. Mehanika promyshlennyh robotov. V treh knigah pod redakciej K.B. Frolova, E.H. Vorob'eva. M.: Vysshaja shkola, 1988.
7. PetrovB.A. Manipulatory// Mashinostroenie, Leningr. otd-e. 1984. 238 s.
8. Nikiforov S.O. Issledovanie kinematicheskih i dinamicheskih svojstv ispolnitel'n-yh rabochih organov manipuljatora: dis. ... kand. tehn. nauk. L.: LII, 1976. 136s.
9. Nikiforov S.O., Smol'nikov B.A. Optimizacija parametrov trehzvennogo manipuljatora//Robototehnika. 1976. S. 50-54.
10. Nikiforov S.O., Marhadaev B.E. Tochnostnye modeli promyshlennyh robotov // Vestnik mashinostroenija. 1989. № 6.S. 22-25.
11. Burdakov S.F., D'jachenko V.A., Timofeev A.N. Proektirovanie manipuljatorov promyshlennyh robotov i robotizirovannyh kompleksov. M.: Vyssh. shk., 1986. 264 s.
12. Chelpanov I.B. Ustrojstvo promyshlennyh robotov. L.: Mashi-nostroenie. 1990.
223 s.
13. Kobrinskij A.A., Kobrinskij A.E. Manipuljacionnye sistemy robotov: Osnovy ustrojstva, jelementy teorii. M.: Nauka, 1985. 314 s.
14.Lukienko L.V., Gal'chenko K.A. Vlijanie konstruktivnyh para-metrov shahtnogo manipuljatora na peremeshhenie vyhodnogo zvena// Izve-stija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. Tehnicheskie nauki. Vyp. 2. 2014. S. 27-34
15. Lukienko L.V., Gal'chenko K.V. Manipuljator dlja kreplenija gornyh vyrabotok, obespechivajushhij povyshenie jeffektivnosti shhitovyh prohodcheskih kompleksov// Izvestija Tul'skogo go sudar stvennogo universiteta. Ser. Nauki o Zemle. Vyp. 4. 2016. S. 198-209.
УДК 528.023 : 622.1/.2
СОВРЕМЕННОЕ МАРКШЕЙДЕРСКО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
М.Г. Мустафин, Е.Н Грищенкова, Ж.А. Юнее, Г.И. Худяков
Представлено описание геодезических методик, отвечающих современному уровню развития координатной основы. Подчеркивается важность совершенствования методов оценки, прогноза и контроля деформированного состояния земной поверхности и массива горных пород. Рассматривается вопрос о технологии спутникового позиционирования для создания опорных маркшейдерских сетей, в части оценки точности определения координат пунктов при использовании одной и нескольких базовых станций. Показана оригинальная технология наблюдений за деформациями земной поверхности на подрабатываемых территориях, позволяющая получать пространственное положение мульды сдвижения.
Ключевые слова: геодезические измерения, опорные маркшейдерские сети, съёмка, спутниковые определения, земная поверхность, наблюдения, деформации, сдвижения, цифровые модели местности.
При эксплуатации горнотехнических предприятий одними из главных моментов является правильное (точное) воплощение проектных решений и контроль состояния горных выработок или их составных элементов. Соблюдение этих обстоятельств, главным образом, обеспечивается нормативными методиками маркшейдерско-геодезических работ.
В статье обращается внимание на состояние и пути совершенствования маркшейдерско-геодезических методик в области создания опорной маркшейдерской сети, построения моделей горнотехнических объектов и наблюдений за деформационными процессами. Все три направления взаимоувязаны и могут рассматриваться в единой системе координат. Это важно при рассмотрении горнотехнического объекта как единой системы.
Развитие способов построения маркшейдерской опорной сети, несомненно, определяется использованием спутниковых технологий измерений. Фактически глобальные навигационные спутниковые системы
