Повышение технико-экономического уровня и степени конкурентоспособности очистных комбайнов на основе оптимизации их энергетических параметров Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© П.А. Горбатов, 2003

"АК 622.232.72

П.А. Горбатов

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИKO-ЭКОНОМИ ЧЕС КОГО YРОВНЯ И СТЕПЕНИ КОН К"РЕНТОСПОСОБНОСТИ ОЧИСТНЫХ КОМБАЙНОВ НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

При проектировании очистных комбайнов как сложных динамико-энергетических систем весьма важным этапом является оптимизация энергетических параметров и характеристик этих машин. Корректное решение задач указанного этапа позволяет обеспечить существенное повышение технико-экономического уровня и степени конкурентоспособности очистных комбайнов, являющихся начальным и основным звеном оборудования при угледобыче.

Предположим, что уже решены задачи предшествующих этапов многокритериального проектирования [1] применительно к базовому исполнению комбайна, в том числе сформированы основные исходные данные для проектирования (включая характеристики разрушаемых массивов) и выполнена проектно-компоновочная разработка машины.

Для рассматриваемого этапа, который целесообразно выполнять параллельно с компоновочноконструкторской проработкой силовых подсистем базового исполнения комбайна [1], в качестве основных единичных энергетических функций цели предлагается использовать теоретическую Q = а -¥п

Ь ■V

(задача-минимум) или техническую Qm =-----------п—

с + ё V

(задача-максимум) производительности и соответствующие им удельные энергозатраты Ж = е + / ■ V-.

Здесь и ниже строчными латинскими буквами обозначены оценки коэффициентов, которые могут рассматриваться как постоянные для заданных представительных условий эксплуатации машины.

К числу наиболее важных оптимизируемых на базе итерационных процедур конструктивных параметров, реализуемых в виде тех или иных конструкторских решений, следует отнести прежде всего:

1) геометрические параметры рабочего инструмента и схем его расстановки на органе;

2) дискретные значения частоты вращения исполнительных органов и, следовательно, скорости резания Ур, обеспечиваемые на основе сменных зубчатых передач или с помощью переключаемого блока зубчатых передач в составе редукторной группы;

3) основной регулируемый режимный параметр-скорость подачи Vn е [0; Vnx], где Упх - максимальное значение скорости при работе комбайна по выемке, развиваемое подсистемами перемещения и приводимое в технической характеристике машины.

Рациональные значения параметров первых двух групп определяются на основе известных разрабо-

ток ученых ИГД им. A.A. Скочин-ского, Донгипроуглемаша, МГГУ, ДонНТУ и других организаций.

Рассмотрим основные подходы при установлении максимально возможной скорости подачи Упм, определяющей максимально возможную теоретическую производительность комбайна Qm = а ■F и соответст-

X- м пм

вующие ей удельные энергоза--грэты Wm = Є + f ■VnM .

Значение Упм устанавливается по наиболее жесткому из возможных ограничений, которые можно разбить на нижеприведенные группы. При этом в скобках указаны условные обозначения предельных значений скорости Уп по каждому ограничивающему фактору.

I. Технические возможности структурных элементов комбайна, определяющие предельные значения скорости Уп по:

1) характеристике подсистем перемещения, соответствующей работе по выемке (Упх);

2) радиальному вылету резцов (Ув);

3) погрузочной способности исполнительных органов (Упп).

II. Устойчивость динамического поведения:

1) электродвигателя машины, выступающего по рассматриваемому фактору в качестве наиболее «слабого» звена (Ууд);

2) регуляторов скорости подсистем перемещения (Уур);

3) корпусной подсистемы комбайна в системе «комбайн - конвейер - крепь - забой» (Уук); это ограничение наиболее вероятно для комбайнов с расположением основных жестко соединенных узлов корпусной подсистемы с забойной стороны конвейера.

III. Прочностные свойства наименее жизнестойкого структурного элемента силовых подсистем комбайна (Упс).

Следует подчеркнуть, что ограничения II и III групп, в отличие от ограничений I группы, зависят от характеристик разрушаемости угольных массивов и поэтому должны устанавливаться применительно к представительным, достаточно тяжелым с позиций нагруженности силовых подсистем горно-техническим условиям эксплуатации в пределах области применения комбайна.

IV. Параметры внешней для комбайна среды технического и природного характера, ограничивающие значения Уп по:

1) теоретической производительности предполагаемого забойного конвейера (Ук) с учетом размеров проходного сечения для отбитого угля под конвейером;

2) скоростным возможностям крепления забоя предполагаемой механизированной крепью (Укр);

3) газовыделению (Уг).

Необходимо отметить, что при реализации только ручного управления значение Упх нет особого смысла устанавливать больше Упхэ, где - Упхэ значение скорости Уп, обусловленное эргономически обосно-

ванными возможностями человека-оператора по перемещению в пластах соответствующей мощности.

При проектировании современных комбайнов необходимо стремиться к сбалансированности ограничений. В противном случае ухудшаются значения функций цели или сужается область применения очистной машины. Принцип сбалансированности ограничений может базироваться на стремлении к выполнению следующих условий:

V.» <

V,

уд■>

При выполнении обоих условий Упм = Упх.

Во многих случаях указанные условия полностью выполнить для всей области применения комбайна весьма затруднительно, особенно для машин, вынимающих весьма тонкие и тонкие пласты. В этих случаях при проектировании комбайнов стремятся снять или, по крайней мере, смягчить наиболее жесткие ограничения (применение резцов с большим вылетом, оптимизация параметров, определяющих погрузочную способность исполнительных органов, использование более совершенных электрических машин и т.д.).

В этом случае Упм = Упж, где Упж - наименьшее из значений Уп, выступающее в качестве самого жесткого ограничения из числа оставшихся после выполнения стадии смягчения ограничений.

Следует подчеркнуть, что при рациональной взаи-моувязке основных машин очистного комплекса:

К <

В результате решения рассматриваемого этапа необходимо добиться выполнения условий:

Q > Q , Ж < Ж ,

— ^3 ' м — 3 ’

где Оз и Wз - заданные значения теоретической производительности и соответствующих ей удельных энергозатрат, устраивающие заказчика.

Техническая производительность От и соответствующие ей удельные энергозатраты, как известно, в более полной мере характеризуют степень технического совершенства комбайна в составе очистного комплекса, поэтому при создании комбайнов в качестве энергетических функций цели предпочтительно рассматривать именно эту пару критериев.

При этом в качестве факторов, ограничивающих максимально возможную техническую производительность Отм, могут также выступать тепловые возможность электродвигателей и регуляторов скорости.

Если для подсистем привода исполнительных органов и перемещения машины применены приводные асинхронные электродвигатели, у которых номинальная мощность Рн (Б1) в режиме Б1 не ниже среднего уровня их нагрузки Р при Уп = Упт, то Отм и соответствующие ей удельные энергозатраты Wтм можно определить по зависимостям:

Ь ■V ,

Q =---------пт— ж = е + /■ ■V

тм 1 т г ’ тм и пт ’

с + ё

где Упт - значение скорости подачи, соответствующее 0Тм.

Если тепловые возможности того или иного электродвигателя в составе комбайна все же выступают в качестве ограничивающего фактора и это ограничение снять не удается, то есть при рассматриваемых уровнях скорости подачи Р > Рн(Б1) и для охлаждения двигателя необходимо ограничить продолжительность включения, то для определения Отм и Wтм необходимо выполнить совместный анализ двух зависимостей от скорости Уп:

Qm = Qm (V ) и

И ■V

Q = Q (V ) = р ■ ПВд ■V =----------п— .

пв пв' п' & д п /7 т /■ \ 2

(к + т V „)

Здесь Опв = Опв(Уп) - ограничение производительности, обусловленное тепловыми возможностями вышеуказанного двигателя; ПВд<100 % - допускаемая по тепловому фактору продолжительность включения рассматриваемой электрической машины при среднем уровне ее нагрузки Р.

При этом с достаточной для решаемых в настоящей работе задач:

ПВд = ПВН

Рн V 4) Р

Р = к + т ■V ,

где Рн(Б4) - номинальная мощность двигателя в режиме Б4; ПВн - номинальная продолжительность включения (довольно часто для двигателей очистных комбайнов принимают ПВн = 60 %, а также 40 %).

В результате совместного анализа указанных выше зависимостей определяются значения Отм, Упт, Wтм.

При этом должно выполняться условие Отм > Отз, где Отз - заданное значение технической производительности, устраивающее заказчика.

В случае выраженной антагонистичности двух единичных функций цели необходимо решать задачу выбора рационального значения скорости подачи, исходя из анализа безразмерного интегрального критерия качества, характеризующего энергетическое совершенство комбайна, который следует сформировать на основе обеих рассматриваемых функций. При наличии нескольких значений передаточного числа и у редукторных групп подсистем приводов исполнительных органов приведенные выше зависимости должны рассматриваться для каждого из значений и.

В дальнейшем, при условии применения в составе подсистем приводов исполнительных органов перспективного частотно-регулируемого асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором, скорость резания Ур может также выступать в качестве второго регулируемого в процессе выемки режимного параметра. В этом случае, как и в настоящее время при наличии электрических регуляторов скорости подачи Уп, необходим мехатронический подход к проектированию очистных комбайнов [1], соответствующий обязательному использованию автоматизированных подсистем управления, обеспечивающих двухпараметрическое (Уп=уаг, Ур=уаг) или однопараметрическое (Уп=сопб1:, Ур=уаг) регулирование.

Для создаваемых очистных комбайнов в их технической документации целесообразно приводить

ур

ук

пс

2

кр

оценочные значения Отм, Ом, а также соответствующие им режимные параметры при работе в представительных горно-технических условиях (несколько характерных вариантов) с указанием этих условий (расчетные мощности пластов, сопротивляемости пластов резанию в неотжатой зоне, показатели степени хрупкости угля, длины лавы и др.).

Следует подчеркнуть, что базовые исполнения комбайнов должны обладать высоким уровнем адаптации к индивидуальным заказам для конкретных условий эксплуатации.

Настоящие разработки предлагается использовать при дальнейшем развитии систем автоматизированного оптимального проектирования очистных комбайнов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горбатов П.А., Лысенко Н.М, Воробьев Е.А. Оптимальное проектирование очистных комбайнов как сложных систем // Горные машины и автоматика. - М.: Машиностроение, 2001, № 6. - С. 9-13.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Горбатов П.А. - профессор, доктор технических наук, ДИП, Украина.

© А.М. Серый, С.И. Бойко, 2003

УАК 65

А.М. Серый, С.И. Бойко

ЭРГОНОМИЧЕСКИЙ ПОАХОА - ПУТЬ РАЗВИТИЯ СЫРЬЕАОБЫВАЮШИХ ОТРАСЛЕЙ

В настоящее время на словах все за эргономический подход, для этого, мол, и реформы, и антимонопольная политика, и даже инфляционно выдержанный рост цен, особенно на сырье, как на основной элемент, влияющий на устойчивость бюджета. Что же дает нам сырье? Доля России в мировом экспорте энергоресурсов составляет 7%, тогда как ВВП России составляет всего около 2% ВВП мира. В общей же структуре экспорта России доля сырья и продукции начальных стадий переработки превышает 70% и продолжает расти при спаде роста развития перерабатывающей промышленности с 5 до 4%.

Рассмотрим, как складывается цена сырья. Благодаря отмене в 1994 году государственного регулирования цен, т.е. либерализации рынка цена складывается из затрат и прибыли, где прибыль есть произведение рентабельности на затраты. Либерализация рынка

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

про отсутствии конкуренции, т.е. монополизации рынка ведет к интенсивному инфляционному росту затрат при минимально допустимой кредитной политики банков -рентабельностью продукции. Затраты подстегивают цены и прибыль, налоги насыщают бюджет и все довольны. Все ли? Довольны только монополисты, поскольку темпы инфляционного роста цен значительно обгоняют темпы роста зарплаты производителей сырья, процент же зарплаты в затратах весьма низок и редко где превышает 10%. Тогда как в США для выхода из кризиса 30-х годов, в Германии и Японии после второй мировой войны был определен порог процента зарплаты в затратах не менее 35%. Им нужно было выходить из кризисной ситуации, а нам значит не нужно.

Нам не нужно выходит сдер-вать цены? А как же эргономи-ский подход, который требует компромисса в ценообразовании

за счет роста прибыли при снижении затрат, т.е. только за счет роста рентабельности продукции. Сдерживая цены на сырье, государство решило бы и массу последующих действий по сдерживанию инфляции, т.е. цена переработки сырья, выработки электро и теп-лоэнергии, транспортные затраты дали бы значительное сдерживание цены конечных продуктов потребления. А это в свою очередь сделало бы эти продукции конкурентоспособными.

Таким образом, только на одном примере воспроизведения механизма действия закона стоимости в эргономическом подходе видно, что совпадение интересов производителей, потребителей и государства - путь развития промышленности, особенно сырьедо-бывающих отраслей. Противоположный подход, т.е. инфляционный неизбежно приведет к тупику, ввиду несовпадения интересов потребителя, производителя и государства.

Эргономический подход ведущих фирм высокоразвитых стран мира показал, что только снижение затрат при соответствующем росте рентабельности продукции дает устойчивое развитие этих фирм и не учитывать этого не только вредно, но и преступно.

Серый А.ЧІ, Бойко С.И. - Криворожский технический университет.