CC BY
11
ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
2005 СЕРИЯ: ГОРНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА Вып. 20
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНОЙ ТЕХНИКИ
УДК 622.277:621.928
А. В. Юдин, В. А. Мальцев, А. В. Иванов, А. Г. Попов
ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ ПИТАТЕЛЕЙ-ГРОХОТОВ В СОСТАВЕ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ СИСТЕМ
В технической литературе нет сведений о структурном анализе и функционировании вибротранспортных машин (ВТМ) применительно к условиям комбинированного транспорта карьеров. Авторы статьи, опираясь на системологию, принятую в [1], сделали попытку дать структурный и функциональный анализ нового поколения ВТМ в системной увязке с транспортными комплексами глубоких карьеров и на их основе выполнить конструктивный синтез структуры вибропитателей-грохотов с совмещенными технологическими функциями.
Комбинированный транспорт, включающий сборочный транспорт с коммуникациями (СТ), перегрузочные системы (ПС), магистратьный транспорт кз карьера и на поверхности с коммуникациями (МТ), систематически логично рассматривать, как большие технические транспортно-п ере фу зонные системы (ТПС), представляющие ограниченные в пространстве карьера и во времени совокупности транспортных, технологических и перегрузочных средств с единым целевым назначением, с присущими им особенностями: по структуре, по связям, по управлению и по поведению.
ТПС формируются несколькими техническими подсистемами, которые по самостоятельности функций и сложности могут быть рассмотрены как отдельные системы (рис. 1).
С учетом сказанного вводятся определения:
ТПС - это совокупность СТ и МТ, которые технологически и организационно связаны единым грузопотоком посредством ПС;
ПС - это совокупность функциональных подсистем, которые конструктивно и технологически связаны единым грузопотоком, наделенных свойствами изменять или не изменять качественное состояние среды.
Области эффективного применения ТПС в глубоких карьерах определяются сравнением инвестиций и натуральных показателей. За независимые переменные обычно принимаются факторы, наиболее существенно влияющие на объемы затрат: величина годового грузопотока, глубина карьера или длина транспортирования. Анализ современного состояния комбинированного транспорта показывает, что сопоставление только вышеназванных факторов не отражает полную картину сложной технологии ТИС, что более глубокая оценка систем достигается при (¡воде показателей: структура (тип) перегрузочной системы, срок ввода системы в действие и показатели гибкости (Пг) как всей системы в целом, так и показатели гибкости составных ее частей.
Свойства, признаки и качества 1>«бкости ТПС и ПС - это принятые и вновь введимые понятия и термины при оценке технических решений и технологии: наличие запаса производственной мощности; аккумулирующая способность; наличие в системе встроенной гибкости; наличие в системе потенциальной гибкости; универсальность и приспособляемость; нечувствительность; возможность рассредоточения и передислокации.
Понятие гибкости системы вытекает из общих свойств и системных требований новой технологии.
в
Подполеистгча 22. Б>««ер. пииты*. грохэт
Питатель 1__
22.1 1 . 1 -Ч Дробят |
Бункер _I Питтяь _ 1 Грохот г— Ы Конвейер |
■ 1 .
_| 2-2.-2 | Вибэооиттлирохот Н-1
Рис. 1. Структурная схема карьерной транспортно-перегрузочной системы и этапы се декомпозиции: а - полсистемы 1, 2, 3 комбинированного транспорта; б - структура полсистемы 2 (перегрузочной системы); в - макроструктура подсистемы 2.2
Гибкость системы - это комплекс ее свойств, обеспечивающих ввод комбинированного транспорта заданной мощности с заданной относительной скоростью, а также адаптацию и перс-стройку системы при изменении внешней среды-
В условиях резкого повышения масштабов и темпов развития открытых разработок совершенно очевидной является необходимость в углублении системного подхода для упорядочения
структуры карьерных ТПС и ПС, их внешних и внутренних связей, а также процессов, протекающих внутри систем.
Ключевым в системотехнике является понятие «система». В строгой постановке под карьерной ТПС будем подразумевать определенное в пространстве карьера и времени множество подсистем (СТ, ПС, МТ) с известными свойствами и упорядоченными между собой связями, технологически и организационно связанными единым грузопотоком и ориентированными на выполнение главной задачи системы.
Классификационно карьерные ТПС могут быть охарактеризованы как разомкнутые, сложные, материальные, технические системы искусственного образования, комплексные по составу и подчиняющиеся функциональной декомпозиции.
ТПС всегда существует во внешней среде. Под понятием «внешняя среда» в условиях карьера подразумеваются следующие порнотехнические и природные факторы: вид грузопотока и свойства горной массы; параметры карьера и рабочей зоны; глубина разработки и положение концентрационных горизо»ггов; климатические и особые условия эксплуатации и другие.
Функционирование карьерной ТПС рассматривается прежде всего как последовательность транспортно-перегрузочных операций. На рис. 1, а приведена структурная модель карьерных ТПС применительно к комбинированному транспорту. В системе высшего порядка функционируют подсистемы СТ, МТ, ПС, реализующие отдельные операции при соблюдении принципа целостности, выход для каждой подсистемы является входом в другую подсистему, изменение параметров каждого элемента вызывает изменения в остальных элементах и системе в целом.
Описание общих свойств карьерных ТПС в процессе их исследования представляет значительные трудности. Возникает необходимость в изучении системы по частям, подсистемам, а затем на основании свойств подсистем и связей между ними формируется вывод об- общих свойствах карьерной ТПС в целом. При иелледовании сложных систем возникают задачи анализа и синтеза. Пример декомпозиции подсистемы ПС приведен на рис. 1,6.
В карьерной ТПС основным системообразующим компонентом является материальный объект процесса - грузопоток транспортируемой и перегружаемой горной массы, обусловливающей основные параметры и характеристики ТПС: вход, процесс, выход, управление с помощью обратных связей и ограничений. Вход ТПС укрупненно может быть представлен характеристиками: головым и часовым грузопотоком; грутополъемностмо Ст; закономерностью (в дисеретном и вероятностном описании) интенсивности поступления грузопотока; свойствами и крупностью поступающей в систему горной массы и др.
Систематология структурных подсистем синтеза (см. рис. 1, 6) позволяет каждую подсистему представить в форме «вход - процессор - выход».
Объекты и свойства в систсмнс-м процессе соединяются различными связями: связи 1-го порядка (прямые); связи 2-го порядка - дополнительные.
Процессор определяет способ получения заданного результата взаимодействия объектов системы с использованием их свойств и связей. Составляющие процесс компоненты, необходимые для функционирования системы в целом, - это самостоятельные подподсистемы. В целях упрощения анализа и на стадии создания ТПС целесообразно принимать, что структура процессора каждой подсистемы оптимизирована по одной из целевых функций в зависимости от периода жизненного цикла системы
где 5и7"в- затраты и время ввода системы в действие. Параметр Гв вводится при создании передвижных (переносных) ПС. Предполагается также, что система и се подсистемы в целом стабилизированы (нормативно упорядочены) по балансу следуемых грузопотоков
^ (у) -* ппп 5, (у) -* пип Тв.
(1)
<{?мт|->0вых;
Процессор каналами связи соединен с органом управления.
В зависимости от целевой функции, а также характера связей с внешней средой, карьерные ПС выполняют следующие функции: прием, аккумулирование, передачу внутри системы, разделение (или неразделение), изменение (или неизменение) свойств и качеств системообразующего грузопотока и передачу его на выходе в подсистему МТ.
При исследовании ТПС возможны два направления: макроподход - изучение взаимодействия системы с внешней средой; микроподход - изучение структуры подсистем и их взаимосвязей. Как видно из схемы на рис. 1, в при исследовании карьерных ТИС применимы оба подхода. Макро- и микроподход применим и к исследованиям отдельных подсистем в результате декомпозиции карьерной ТПС. Проследим этапы подхода при анализе и синтезе ПС. На рис. 1, в приведена макроструктура подподсистсмы 2.2, включающая элементы: бункер, питатель, грохот. Макропроектирование в нашем случае рассматривает функционально - аспекты подсистемы НС, а микропроектирование влечет за собой разработку отдельных элементов подсистемы 2.2, как физических единиц оборудования (бункеры, питатели, грохоты).
Исследованиями установлено, что наибольшая эффективность ПС, а также выполнение условия по выражению (1) проявляется в там случае, если струюура подподсистсмы 2.2 включает подсистемы низшего уровня: 2.2.1 - бункер и 2.2.2 - вибропитатель-грохот с совмещенными технологическими функциями.
Структурная модель вибропитателя-грохота выделена как подсистема низшего порядка 2.2.2 в результате декомпозиции подсистемы 2.2 ПС. В целях упрощения терминологии в дальнейшем подсистему 2.2.2 обозначим «система ПГ:-> и будем исследовать ее как отдельную техническую систему, структура которой состоит из конечного множества элементов, связанных определенными отношениями и имеющая вход и выход, характеризуемые параметрами состояния операнда и другими связями материального, энергетического и информационного характера.
Применительно к вибропитателям-грохотам, как к ВТМ нового поколения и технической системе, следует рассматривать две задачи системного подхода: задача синтеза - по заданному характеру функционирования и сформулированным требованиям определить структурную схему машины, удовлетворяющую поставленным условиям; задача анализа - при имеющейся структуре определить функционирование системы.
Опыт, накопленный в УГТГА, по созданию сверхтяжелых вибропитателей-грохотов позволил сформулировать требования к ним, определить их элементный состав, отношения связи между ними без исследования органоструктуры системы [2].
Система ПГ включает следующие основные параметры (элементы): рабочий орган (ПГ1), вибровозбудитель (ПГ2), привод (ПГЗ), упругая система (ПГ4), опорная рама (ПГ5), управление (ПГ6) (рис. 2, б).
Рабочий орган включает приемную секцию и грохотильную секцию. Приемная часть внедряется в бункер, сопрягается с его элементами, выполняет функцию питателя и осуществляет извлечение (вибровыпуск) ГМ из бункера (подподсистема 2.2.1) и передачу ее на 1рохэтильную секцию. Функция грохотильной секции - разделить ГМ на два потока. Эта часть системы ПГ имеет технологическую связь с подподсистемами.
Вибровозбудитсль (ВВ) - двухроторкый, жестко связан с РО и располагается под его приемной частью, ближе к загрузочному концу РО. Функция ВВ - образовать заданную возмущающую силу и передать ее РО под заданным углом вибрации, определив направленные колебания РО. ВВ выполняется в виде самосинхронизированной системы или с механической синхронизацией вибраторов.
Привод - электродвигатели постоянного тока с регулируемой угловой скоростью на каждый вал ВВ. Связь привода и ВВ осуществляется через эластичную лепестковую муфту или при помощи карданной передачи.
Упругая система состоит из двух частей. Основная часть - комплект стальных пружин с линейной характеристикой. Дополнительная часть - ограничители хода РО в виде резиновых или гидропневматических амортизаторов с нелинейной характеристикой.
Опорная рама - жесткая конструкция ограниченной массы, на которой закрепляется упругая система. Рама передает динамические нагрузки конструкциям ПС.
Прие* Изменение Подача Ршеясюк Подача а
ГМ ГМ И* реле- ГМ фо&ику
* лен« —»
3
и
IX
•щ
тс
пгТ"
тт
агТ
гаТ
пгз
о;
I
:0п
"пгТ
ш
24
........I
Рис. 2. Функциональная (о) и структурная (б) модели системы III'
Подсистема управления включает комплекс датчиков, регистрирующих выходные параметры колебаний РО (дг,у,у) и имеет связи с приводом (вибраторами) и упругой системой.
При описании технического процесса необходимо раскрыть суть термина «операнд», каковы его состояния и преобразования, какими операторами выполняются отдельные действия.
Операнд - это пассивный элемент рассматриваемой нами ТПС, подвергаемый целенаправленному преобразованию. В общем случае к операнду может быть отнесена ГМ, доставляемая к бункеру средствами автотранспорта или загружаемая из ковша экскаватора непосредственно в забое. Основное функционирование системы ПГ состоит в приеме, извлечении (вибровыпуске) из бункера, передаче ГМ иа грохотильную секцию, разделении ГМ на фракции и передача фракций в дробилку и на конвейер. При помощи системы ПГ цикличный поток ГМ преобразуется в непрерывный. Отсюда начальное положение операнда - исходная ГМ в бункере, промежуточное состояние - ГМ на приемной части ПГ, конечная - разделенный поток ГМ на надгрохотные и нод-грохотные фракции.
Таким образом, операнд, проходящий через систему ПГ, подвергается следующим ареобся-зованиям: изменяется принцип движения из цикличного в непрерывный, транспортируется яа хотильную секцию, разделяется на два класса. Все преобразования операнда вы пол нл юта с го-мощью одного оператора РО вибропитателя-грохота. На основании приведенного описания технического процесса, осуществляемого системой ПГ, разработана ее функциональная модель (ас рис. 2, а).
В качестве показателей эффективности процессов выбирают числовые характеристики, оценивающие степень соответствия моделируемой системы ПГ задачам, поставленным перед ней высшей системой структуры ПС. В нашем случае к таким характеристикам следует отнести состояния операнда Овх, Он, Он, зависимые от эффективности вибропроцессов, количественно оцениваемых показателями: Г - режимом кслебаний, и - скоростью виброперемещения, 4 - эффективностью разделения.
При функционировании системы сохраняется материальный баланс ГМ
Qbx-QH+QH, (3)
где Qbx, Он, Он - грузопоток, поступающий в систему, выходной поток надгрохотного и подгро-хотного продуктов.
Операнд, как внешняя среда системы, оказывает воздействие на РО системы в виде давления столба ГМ, находящейся в бункере (Рс), а также в виде периодического ударного воздействия сосредоточенных масс или разобщенного потока ГМ при разгрузке автосамосвалов (Я). В свою очередь, подсистема ПГ1, в силу колебательного движения и направленных колебаний РО, производит воздействие на столб ГМ в бункере. При этом амплитуда колебаний материала по высоте слоя изменяется по экспоненциальному закону (3]
/*в = Л sin р • е к, А, ж A eos Р • е" *г \ (4)
где А - амплитуда контактного с РО слоя; И - расстояние от РО до /-го слоя; /Св и К, - коэффициенты затухания волн сжатия и сдвига.
Колебания РО системы осуществляются под воздействием входного параметра - возмущающей силы Р0, создаваемой ВВ, изменяющейся по гармоническому закону
ЛХО = «гвАт со/, (5)
где т - суммарная масса дебалансов; г - эксцентриситет.
В зависимости от параметров подсистем ПГ1, ПГ2, ПГ4 выполнение функций по схеме (см. рис. 2, а) оценивается безразмерным параметром режима работы ВТМ
г _Л<о2-$т-(а + р) ««а
где о - угол наклона РО.
Выходные параметры операнда Он, Оп зависят от внутренних связей в системе: скорости вибротранспортирования 1*М по рабочему органу (о); от эффективности разделения ГМ на классы на грохотильной секции подсистемы ПГ1 (4). Установлено, что оба параметра и и £ зависят от параметра Г
Он Он -/(V, 4 ) -/[Г. */). у(1\ Ф(')1
где ХьУь ф,- координаты движения РО.
Теоретически РО (подсистема ПГ1) под воздействием направленных колебаний ВВ (подсистема ПГ2) при условии, если вектор возмущающей силы Р0 проходит через Ц.И. системы, совершает движение с однородным полем эллиптических траекторий. Практически указанное условие
49
прохождения вектора Р0 не выполняется. Учитывая сказанное, а также влияние входных параметров Ре и Я и других условий, рабочий орган будет совершать плоскопараллельные колебания, но траектория движения точек по длине РО будет различна в диапазоне от линейной траектории до эллиптической с изменением угла наклона большой оси эллипса со сменой знака. Траектория любой точки на РО подсистемы в заданный момент времени определяется выходными информационными параметрами хьуь 9«.
Выходной параметр Я' и Р„' определяет динамическую нагрузку, передаваемую системой ПГ на несущие конструкции. О степени совершенства системы виброизоляции и ударозащиты для зарсзонансных ВТМ судят по величине коэффициентов передачи
Р 1 1*1
Уп=Т~' к(7)
' О "тая
Синтезируемая система ПГ является одномгссной колебательной системой с зарезонансным режимом работы, наделенная диссипативными свойствами. В стандартном виде уравнение движения системы с одной степенью свободы в направлении оси у в линейной постановке имеет вид
У+ 0(/)/А/, (8)
где р2 - с/А/; 2п 3 к!М\ М- масса РО; с - коэффициент жесткости упругой системы; к - коэффициент демпфирования.
Система испытывает сложное динамическое нагружение
0(0-/>«(/) + $ (/Ж/), <*>
где РЖ) - гармоническое воздействие, развиваемое ВВ; ^ (/) - управляющая функция; /?(/) - ударное воздействие, определяемое условиями загрузки.
Таким образом, анализ технической системы ПГ, установление ее свойств и динамических параметров определяется путем математического моделирования подсистем и процессов с увязкой технологических параметров» систгмм (£)„ ^ ») четез показатели режима колебаний РО (Г, А, (й, рг а), в зависимости от входных параметров окружающей среды (Я, Рс, Ра).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Юдин А. В. Принципы систсмологии, особенности структурного анализа и функционирования карьерных транспортно-перегрузочных систем // Изв. вузов Горный журнал. 1992. № 9. С. 122-128.
2. Хубка В. Теория технических систем / Пер. с нем. М.: Мир. 1987. 208 с.
3. Учите.чь А. Д.. Гущин В. В. Вибрационный выпуск горной массы. М.: Недра, 1981. 232 с.
УДК.622.24.05.055
И. Г. Макаров, Н. Б. Ситников МЕХАНИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
Зависимость показателя механическая скорость проходки ум от технолошческих параметров: расход промывочной жидкости Q, усилия на долото С (рис. 1), скорости вращения долота п (рис. 2) на месторождениях с различным геологическим строением имеет одинаковый вид. Это подтверждают исследования ученых,проводивших эксперименты в разное время [1, 2,4, 5].
