CC BY
38ными пластинами // Научное обозрение. - №5. -С. 57-60.
12. Вальтер А.В. Программное обеспечение автоматизированного анализа кинематики процесса резания // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). -2008. - № 1. - С. 18-19.
13. Lemeshko B.Y., Lemeshko S.B., Nikulin M.S., Saaidia N. Modeling statistic distributions for nonparametric goodness-of-fit criteria for testing complex hypotheses with respect to the inverse Gaussian law // Automation and Remote Control. -2010. - Vol. 71. - №7. - P. 1358-1373.
14. Jarque C.M., Bera A.K. A Test for Normality of Observations and Regression Residuals // International Statistical Review / Revue Internationale de Statistique. - 1987. - Vol. 55. -Iss. 2. - P. 163.
15. Kendall M.G., Stuart A., Ord J.K. Design and analysis, and time-series: The advanced theory of statistics . - London: Griffin, 1968. - Vol. 3. - 557 P.
16. Durbin J., Watson G.S. Testing for Serial Correlation in Least Squares Regression. // Biometrika. - 1971. - Vol. 58. - № 1. - P. 1-19.
В.В. Аксенов, д.т.н., профессор, В.Ю. Бегляков, к.т.н., доцент, С.И. Гановичев,
студент
«Юргинский технологический институт (филиал) ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Обоснование необходимости разработки унифицированной математической модели геохода
УДК 622.002.5
ЮТИ ТПУ совместно с Кемеровским научным центром СО РАН ведут работы по созданию геоходов нового поколения [1...8]. В 2015-2016 годах планируется выпуск и испытание опытного образца геохода для проходки горных выработок диаметром 3.2 м [7.9]. По результатам испытаний будет принято решение об организации серийного производства.
Ряд организаций и ведомств, проявляют заинтересованность в создании геоходов других типоразмеров для проходки выработок в различных горногеологических и горнотехнических условиях. В настоящее время формируются технические задания на проведение НИР и НИОКТР на разработку геоходов со специфическими техническими требованиями.
Геоход - принципиально новая проходческая машина. Работа основных систем геохода и требования к ним принципиально отличаются от аналогичных систем известных проходческих машин [6.9]. Облик и состав основных систем и узлов геохода продолжает формироваться, варьируются назначение систем и способы их взаимодействия, появляются новые схемные и конструктивные решения. Остро стоит задача обоснования параметров как существующих, так и вновь появляющихся конструктивных решений. Для обоснования силовых и конструктивных параметров геоходов и их систем требуется создание математических моделей силового взаимодействия, причем необходимо исследовать как внутреннее взаимодействие между системами и модулями, так и их взаимодействие с геосредой.
В работах [10.18] приводятся варианты математических моделей взаимодействия основных систем геоходов между собой и с геосредой. Модели составлены для геоходов «ЭЛАНГ-3» и «ЭЛАНГ-4» и учитывают их частные конструктивные особенности (рис. 1 и 2). Так же, модели, приведенные в работах [10.13], охватывают широкий спектр параметров геосреды, учитывают горно-геологические и горнотехнические условия, т.е. предназначены для решения задач, охватывающих широкий спектр процессов силового взаимодействия. При этом в них не учтены геометрические параметры профилей законтурных элементов и каналов, не учитывается наличие активных законтурных исполнительных органов и многое другое.
Модели состоят из весьма громоздких неделимых блоков (1 -3). Так же в моделях используется весьма объемная номенклату- -ра параметров и переменных. Имена пара- ц метров и переменных привязаны к именам т объектов и их конструктивным особенностям а (рис. 1, 2) уравнения (1 -3) и практически не поддаются систематизации. При создании новых переменных придётся не только 3 придумывать имя, но ещё и убедиться в его «нез ан я тости». Это накладывает ограниче- 3 ния и создает неудобства при координации [ работы коллектива, его групп и отдельных в исполнителей.
Рис. 1. Расчетная схема к существующей модели геохода «ЭЛАНГ-3»
Рис. 2 Расчетная схема к существующей модели геохода «ЭЛАНГ-4»
RгдSiщг + RГHABCos$ - tgфтpSmfi ) - Р - в^та - Тго^т$ - Ти^т®л = 0
h
ЯщСо^ ГГГД - ^ГНАВЛПР (ГГ + - Щфгр^Ф ЩгнАВ \
- ТГOБCosfi ■ гг - МгмCosа - Мтио ■ Cos&тм = 0
Гг +■
h
ЛГ
- МИО -
где Уг угол между направлением линии действия домкратов перемещения головной секции и плоскостью, перпендикулярной оси вращения, град; в -угол подъема винтовой лопасти, град; фгр]Кгна(М- трение винтовой лопасти по вмещающей породе, Н; фар- угол трения между породой и сталью, град;
2
Рпд п + ^нав- tgФ ГР
Sшp ^
ПНАВ
- вп^па - тпобЛПР - ТПЛК - ^Л = 0
РПД CosУ П ГПД ^ПНАВ
SшP
Гп +
ЛП
- tgФTp CosP |R
ПНАВ
Гп +
ЛП
(2)
- ТПОБСМ$ГП - Т
ПЛП'ПЛАТ
=0
РХДX + ^АВ^Ф - ШФТРЛПР \^НАв\ - - ТхОБSinP = 0
РХДхГХД - ^АВSinP
Гх +-
h
ЛХ
- tgФтp Cos$ |R
ХНАВ
Гх +■
h
ЛХ 2
(3)
- ТХОБС™$Г.X = 0
В данное время разработка геоходов нового поколения ведется по пути создания блочно-модульной, агрегатируемой машины. Состав и характеристики входящих в геоход модулей, позволяют создавать различные модификации на общей базе.
В этих условиях применение существующих моделей осложняется тем, что внесение изменений в принцип работы одной из систем приводит к значительной корректировке всей существующей модели. При каждом изменении конструкции использование сложившегося подхода потребует практически создания новой модели, которая опять будет «заточена» под конкретное конструктивное решение.
Необходимо изменить подход к моделированию при обосновании параметров геохода и его систем. Необходимо создание новой, гибкой модели, которая должна учитывать особенности работы и взаимодействия систем, позволять изменять состав и порядок расположения систем, наращивать или сокращать их состав. При этом изменения, связанные с какой-либо системой, не должны приводить к серьезным изменениям остальной части модели.
Необходимо создание математической модели, состоящей из блоков, каждый из которых является моделью отдельной системы или модуля. А общая модель может редактироваться путем замены или редактирования блоков. При этом редактирование одного блока, не должно вызывать необходимости редактирования других блоков или перестройки модели.
Для создания такой модели необходимо
решить задачи:
1) Разбиение геохода на системы и модули позволяющие создавать различные схемные и компоновочные решения. При этом модули и системы должны обладать конструктивной и функциональной обособленностью; конструктивным единообразием способов сопряжения систем, приемлемым уровнем взаимозаменяемости одноименных систем и модулей; определенным уровнем вложенности подсистем в системы, узлов в модули и т.п.
2) Создание структуры связей между модулями и системами, которая должна обеспечивать единообразие принципов формирования входных и выходных параметров различных систем, модулей и узлов геохода.
3) Разработка «стандартных разъемов» для «стыковки» модулей и систем.
Разработка «стандартных» разъемов позволит подставлять в общую модель геохода различные типы внешних движите- в лей, исполнительных органов и других ■ систем, не меняя остальной части модели. То £ есть, изменение или замена отдельного ^ модуля должны привести только к изменени- ■ ям в соответствующем блоке математической модели, а в дальнейшем отразиться на общих результатах моделирования.
4) Разработка принципов приведения каждой системы (модуля) к§ самостоятельной модели, отвечающей принципам построения общей модели, имеющей структуру входных и выходных данных, хорошо вписывающуюся
2
2
2
в «стандартные разъемы» между системами и модулями в модели.
Работу по научно-техническому обеспечению, обоснованию параметров, расчетам и проектированию модулей и систем ведет коллектив ученых и инженеров состоящий из относительно самостоятельных групп и отдельных исполнителей.
Чтобы обеспечить эффективное взаимодействие групп, необходимо определить договоренности, обеспечивающие единообразие обозначений, формулировок, приемов проектирования и моделирования. Необходимо создать протоколы формирования информации внутри групп и передачи информации между группами и отдельными исполнителями.
5) Разработка «ствола модели».
Чтобы обеспечить возможность модификации математической модели геохода, необходимо создать некую основу - «ствол модели» наподобие материнской платы компьютера или дерева построения 3 D модели. На «стволе модели» будут «размещаться» блоки, являющиеся моделями систем и модулей. Модели систем и модулей в свою очередь должны иметь свой ствол, на котором будут размещаться модели подсистем, узлов и т.п.
6) Разработка гибких моделей «первого поколения».
Приемлемые границы гибкости модели трудно определить. В идеале нужно стремиться к созданию модели с «абсолютной гибкостью», что выглядит как утопия, и то можно предположить, что на создание бесконечно гибкой модели потребуется бесконечное количество времени; а модели нужны уже сейчас. Отсутствие гибких моделей геоходов и их систем является сдерживающим фактором. И, если «абсолютная гибкость» недостижима, то нужно на первое время ограничиться каким-то приемлемым уровнем гибкости.
Для этого необходимо определить некие рамки:
- ограниченное количество вариантов компоновочных решений;
- набор типичных для геохода систем, модулей, устройств и т.п.;
- уровень «разветвленности» «ствола модели»;
- допустимое количество уровней вложенности (модуль/ подмодуль/ узел/ ./ деталь);
- и т.п.
7) Разработка планов (прогнозов) по созданию моделей следующих поколений.
Модели «первого поколения» будут соответствовать ближайшим планам, их создание и эксплуатация позволят накопить полезный опыт, выявить особенности, ошибки и
т.п.
У коллектива ученых и инженеров, работаю-
щих над созданием геоходов, сформировались и продолжают формироваться планы, как на ближайшую перспективу, так и на весьма отдаленные.
Поэтому модели «первого поколения» рано или поздно устареют. И уже сейчас необходимо думать о создании моделей следующих поколений, разрабатывать принципы и подходы к моделированию геоходов и их систем.
8) Разработка программных продуктов.
Создание гибких, расширяемых математических моделей предполагает применение избыточного математического аппарата, что потребует автоматизации как на уровне вычислений, но и на уровне построения моделей. Существующие САЕ-системы призваны автоматизировать процесс построения математической модели, но они являются универсальными инструментами в которых не учтены перечисленные особенности.
Для построения математических моделей геоходов с учетом вышеперечисленных требований, ограничений и договоренностей необходимо создание специализированных программных продуктов, создание которых возможно как на базе существующих САЕ-систем, так и на самостоятельной платформе.
Выводы
Существующие математические модели геоходов не соответствуют задачам, возникающим при создании геоходов нового поколения.
Необходимо создание гибкой модели, способной к расширению и модификации.
Применение блочно-модульного принципа построения позволит создавать гибкие модели, способные к расширению и модификации.
Необходимо формирование системы правил (договоренностей) для обеспечения независимого, но согласованного моделирования различных систем и модулей геохода.
Необходимы построение модели «первого поколения» и разработка принципов построения моделей следующих поколений.
Необходимо создание специальных программных продуктов, предназначенных для _ математического моделирования процессов ^ взаимодействия геохода с геосредой и ■ систем геохода между собой.
Список литературы ^
1 Аксенов В.В. Научные основы 2 геовинчестерной технологии проведения X горных выработок и создания винтоповорот- К ных агрегатов // автореферат диссертации на [ соискание ученой степени доктора техничес- в ких наук / Институт угля и углехимии Сибир- в ского отделения Российской академии наук. : Кемерово, 2004.
2 Аксенов В.В., Ефременков А.Б., ^
Бегляков В.Ю., Бурков П.В., Блащук М.Ю., Сапожкова А.В. Компоновочные решения машин проведения горных выработок на
основе геовинчестерной технологии // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2009. - № 1. - С. 251-259.
3 Аксенов В.В., Ефременков А.Б. Геовинчестерная технология и геоходы - наукоемкий и инновационный подход к освоению недр и формированию подземного пространства // Уголь. - 2009. - № 2 (994). - С. 26-29.
4 Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Синтез конструктивных решений исполнительных органов геоходов // Горный информационный аналитический бюллетень (научно-технический журнал) Mining informational and analytical bulletin (Scientific and technical journal). Горное машиностроение / М.: издательство «Горная книга». - 2010. - ОВ №3. - С. 49-54.
5 Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Тимофеев В.Ю., Бегляков В.Ю., Блащук М.Ю. Проходческий щитовой агрегат (Геоход) Патент на изобретение RUS 2418950 05.10.2009
6 Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Бегляков В.Ю., Блащук М.Ю., Тимофеев В.Ю., Сапожкова А.В. Разработка требований к основным системам геохода // Горное оборудование и электромеханика. - 2009. - № 5. - С. 3-7.
7 Aksenov V.V., Khoreshok A.A., Beglyakov V.Y. Justification of creation of an external propulsor for multipurpose shield-type heading machine -geo-walker // Applied Mechanics and Materials. -2013. - Т. 379. - С. 20-23.
8 Ананьев К.А., Аксёнов В.В., Хорешок
A.А., Ермаков А.Н. Определение зависимости геометрических параметров барабанов разрушения забоя от угла их установки на геоходе // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2014. - № 2 (102). - С. 35.
9 Аксенов В.В., Вальтер А.В., Бегляков
B.Ю. Обеспечение геометрической точности оболочки при сборке секций геохода // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2014. - № 4 (65). - С. 19-28.
10 Аксенов В.В., Хорешок А.А., Ефременков А.Б., Тимофеев В.Ю. Разработка математической модели взаимодействия геохода с геосредой // Горный информационный аналитический бюллетень (научно-технический журнал) Mining informational and analytical bulletin (Scientific and technical journal). Горное машиностроение / М.: издательство «Горная книга». -2011. - ОВ № 2. - С. 79-91.
11 Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю., Ефременков А.Б. Разработка модели кинематических особенностей геохода // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: Сборник трудов V Международной научно-
практической конференции / Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - 2014. - С. 292-298.
12 Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю., Ефременков А.Б. Моделирование особенностей движения геохода с ножевым исполнительным органом // Актуальные проблемы современного машиностроения: сборник трудов Международной научно-практической конференции / Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - С. 86-89.
13 Блащук М.Ю., Дронов А.А., Михеев Д.А. Математическая модель для определения усилий, необходимых для перемещения геохода // Актуальные проблемы современного машиностроения: сборник трудов Международной научно-практической конференции / Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - С. 134-139.
14 Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Бегля-ков В.Ю. Моделирование напряженно-деформированного состояния породы, создаваемого воздействием на неё исполнительного органа горной машины // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2011. - № S5. - С. 9-14.
15 Садовец В.Ю., Аксенов В.В., Бегляков В.Ю. Разработка модели взаимодействия ножевого исполнительного органа геохода с геосредой // Технологии и материалы. - 2015. -№ 1. - С. 36-41.
16 Аксенов В.В., Бегляков В.Ю., Рак Д.В. Применение эквивалентной распределенной нагрузки при моделировании взаимодействия исполнительного органа горной машины c породой // Актуальные проблемы современного машиностроения: сборник трудов Международной научно-практической конференции / Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - С. 145-149.
17 Sadovets V.Yu., Beglyakov V.Yu., Efremenkov A.B. Simulation of geokhod movement with blade actuator // Applied Mechanics and -Materials. - 2015. - Т. 770. - С. 384-390. ^
18 Бегляков В.Ю. , Аксенов В.В. Повер- ■ хность забоя при проходке горной выработки геоходом. - Saarbrucken: LAP LAMBERT ь Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. - £ 139 c. 3
