CC BY
5
УДК 622.23.054.051
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ РАССТАНОВКИ РЕЗЦОВ НА ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНАХ ПРОХОДЧЕСКИХ КОМБАЙНОВ
А.Б. Жабин, Ю.Н. Линник, А.В. Поляков, В.Ю. Линник
Рассматривается методика оптимизации расстановки резцов на исполнительном органе проходческого комбайна. Дано детальное описание алгоритма расчета. Определены границы варьирования основных параметров и критериев качества. Представлено математическое описание условия пересечения резцедержателей, что является важным этапом оптимизации.
Ключевые слова: проходческий комбайн, оптимизация расстановки резцов, алгоритм расчета, критерии качества, условие пересечение резцедержателей
Проходческий комбайн был впервые разработан для механической выемки угля еще в начале 50-х годов прошлого века. Сегодня их применение расширилось далеко за пределы добычи угля в результате постоянного увеличения производительности. Это обусловлено внедрением новых технических и технологических разработок. Они состоят в постоянном увеличении веса комбайна, размеров и мощности рабочего органа, усовершенствовании конструкции стрелы, совершенствовании и создании нового резцового инструмента, а также более широким применением автоматизации и дистанционного управления [1 - 5].
Эффективное применение проходческих комбайнов избирательного действия в смешанных и породных забоях с включением абразивных пород прочностью 100 МПа может быть обеспечено при создании конструкции исполнительных органов, позволяющих повысить удельные нагрузки на массив при использовании наиболее рациональных типов режущих коронок и оптимизации расстановки на них резцов. Необходимость обеспечения высокой конкурентоспособности отечественных проходческих комбайнов приобретает особую важность в связи с импортозамещением и введением секторальных санкций.
Результаты исследований [3, 6 - 10] свидетельствуют, что комбайны, оснащенные поперечно- и продольно-осевыми коронками, имеют резервы повышения производительности. При этом отмечается, что для разрушения пород прочностью более 60 МПа перспективными являются поперечно-осевые коронки, неравномерность нагрузки которых существенно зависит от их формы.
В свете отмеченного проводятся работы в различных направлениях, в том числе и по разработке новых методик расстановки резцов на коронках и компьютерного моделирования работы конкретного варианта исполнительного органа комбайна. Такой подход позволяет в более короткий
срок (в сравнении с шахтными испытаниями) определить параметры исполнительного органа, повысить качество проектных решений и увеличить производительность труда конструкторов и расчетчиков.
В настоящее время нами разработана методика оптимизации расположения резцов на коронке на основе метода ЛП - поиска [12]. Этот метод по сравнению с другими методами случайного поиска обеспечивает наиболее равномерное распределение зондирующих точек в пространстве параметров оптимизируемой функции. Это дает возможность эффективного поиска глобального экстремума в многоэкстремальных задачах, к которым относится и рассматриваемая задача поиска схемы размещения резцов на коронке.
Схематично алгоритм расчета приведен на рис. 1. В основу предлагаемого диалогового алгоритма положено численное исследование (зондирование) пространства параметров проектируемой коронки, которое проводится в несколько этапов.
Первый этап - формирование исходных данных. Этот этап представлен Блоками 1 - 3. Исходными данными для расчета и оптимизации являются (Блок 1):
- мощность приводного двигателя, кВт;
- суммарное усилие подачи, кН;
- масса комбайна, кН;
- габаритные и конструктивные размеры проходческого комбайна,
мм;
- максимальная прочность и абразивность горной породы;
- форма коронки в виде ее контура;
- тип резца и соответствующий ему резцедержатель.
Блок 2 описывает параметры исходной модели. Под исходной моделью будем понимать вариант породоразрушающей коронки и схему расстановки на ней резцов, полученной по методике [12]. Для исходной модели известными являются тип резцов и их количество, а также шаги и углы установки резцов и др.
Блок 3 также отнесен к исходным данным, что является традиционным подходом при решении многокритериальных задач оптимизации.
Этот блок описывает пространство параметров естественных физических величин, определяемых математическими формулами и позволяющих вычислить интересующие нас характеристики системы.
Несколько забегая вперед, отметим, что варьируемыми параметрами являются:
- коэффициент закручивания спирали апг;
- число спиралей п8;
- число резцов в спирали пк.
Границы изменения этих величин (параметрические ограничения)
таковы: 1 < ап2 < 4, 1 < п8 < 6 и 10 < пк < 60.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма расчета и оптимизации расстановки резцов на породоразрушающей коронке
При этом в случае решения задачи оптимизации уже спроектированной коронки, описание которой дано в Блоке 2, величины ат, п8 и пк определяются автоматически, и оптимизация осуществляется в «окрестности пробной точки» [12].
Кроме параметрических ограничений, в условия задачи оптимизации расстановки резцов на коронке включены критерии качества и функциональные ограничения.
Качество проектируемой коронки предлагается оценить по следующим критериям качества, в порядке их значимости, при наложении на них соответствующих ограничений [13]:
- коэффициент вариации нагрузки на коронке Ф4. Этот критерий желательно уменьшить, но он должен удовлетворять условию Ф1 < 0,6 (одностороннее ограничение);
- расход горно-режущего инструмента Ф2 [13] или Ф2 < Ркр. Здесь
Ркр - критическая нагрузка на резце, характеризующая выход резца из
строя - его поломку;
- теоретическая производительность комбайна при разрушении горной породы Ф3;
- устойчивость комбайна Ф4. Этот критерий разбивается на следу-
1 2
ющие псевдокритерии: Ф4 и Ф4 > 1,1 - определяют продольную и попе-
"У
речную устойчивость комбайна соответственно; Ф43 > 0 - определяет устойчивость комбайна от разворота [14].
Отметим, что в зависимости от конкретных результатов оптимизации ранжирование критериев может меняться.
Второй этап - составление таблиц испытаний, представлен Блоками
4 - 6.
Под пробной точкой будем понимать вариант набора резцов на по-родоразрушающей коронке (Блок 4). Выбор пробной точки осуществляется с использованием ЛП-т последовательностей [12]. В данном блоке также назначается количество пробных точек N.
Блок 5 должен выполняться программой без вмешательства специалиста. В каждой из пробных точек рассчитывается система, вычисляются значения всех критериев качества, и проверяется выполнение функциональных ограничений. Отметим, что все критерии качества рассчитываются по известным методикам [13].
Далее составляется таблицы испытаний (Блок 6), в которых все значения критериев качества располагаются в порядке возрастания. Отметим, что эти таблицы представляют собой аналог статистических вариационных рядов. Таблицы испытаний показывают не только значения критериев качества, по ним также можно судить о частоте тех или иных значений критериев качества.
Выбор критериальных ограничений (Блок 7). Этот этап предполагает вмешательство проектировщика (специалиста). Просматривая поочередно каждую из таблиц, он должен назначить (уточнить, если это требуется) ограничение для каждого критерия.
Стоит подчеркнуть, что диалог очень удобен для проектировщика: он не должен комбинировать, уменьшая одни критерии за счет других; ему показывают одну таблицу испытаний и предлагают назначить одно огра-
ничение; затем повторяют то же с другой таблицей испытаний. Конечно, конструктор заинтересован в том, чтобы все критерии были по возможности рациональными, но он должен понимать, что если выбирать Ф1 неоправданно малыми, то множество допустимых точек может оказаться пустым.
Третий этап - заключительный, представлен Блоками 8 и 9. При этом Блок 8 формируется автоматически, без вмешательства специалиста, и представляет собой сводную таблицу пробных точек соответствующих всем ограничениям. Из этих точек проектировщик осуществляет выбор оптимального варианта расположения резцов на коронке (Блок 9).
До расчета критериев качества должна быть выполнена проверка условий соседства резцов, исключающее наложение (пересечение) резцедержателей. Учет этого условия выполняется таким образом, что если для некоторой схемы размещения резцов не выполняется это условие, то такая схема размещения резцов отбрасывается, и расчет критериев качества не производится.
Проверка не пересечения резцедержателей может быть осуществлена следующим образом. Сначала определяются координаты у-ых точек
(/=1...6, рис. 2) в системе координат /-го резцедержателя т/ (таблица). Величины с1, Ь1, ^, Ь2, d2, Ь3, йъ - размеры резцедержателя с установленным резцом. Затем производится перевод координат точек 1 - 6 в систему координат исполнительного органа:
т]1 = ГЙ + С • ^ > (1)
где т0 - радиус-вектор вершины г-го резца в системе координат исполнительного органа.
Радиус-вектор вершины г-го резца в системе координат исполнительного органа определяется по формуле
Г ■ эт^у
r0i =<
t
(2)
Г ■ cos (pyi
где ri - радиус установки /-го резца (см. рис. 2); ti - расстояние от торца коронки до вершины /-го резца; ( - угол установки /-го резца; ci - матрица направляющих косинусов системы координат OXY-Z^ в системе координат исполнительного органа OXYZ.
ci =
+ cos (Pyi 0
± Sin (yi
- sin (pyi • cos ai ± sin (pyi • sin ai
-sin a^ +cosa;
- cos ( • cos ai ± cos ( • sin ai
(3)
где а1 - угол между касательной к контуру коронки в месте установки /-го
резца и осью вращения коронки, град. Здесь верхний знак (+ или -) соответствует вращению исполнительного органа по часовой стрелке, нижний -против часовой стрелки, если смотреть на коронку со стороны забоя.
Рис. 2. Расчетная схема для определения условия пересечения
резцедержателей
Определение координат точек 1 - 6 в системе координат ^го резцедержателя т!п
у/.. & У
1 С1 Ъ2 Ъ3/2
2 С1+Ъ1 Ъ2 Ъ3/2
3 С1+Ь1 Ъ2 -Ъ3/2
4 С1 Ъ2 -Ъ3/2
5 с^Ъ^^ Ъ2-^2 ^3/2
6 с^Ъ^^ Ъ2^2
Точки 1 - 6 /-го резцедержателя в систему координат к-го резцеде жателя переводятся так:
т/ = с{кп)(г- - г-). (4)
Резцедержатели накладываются друг на друга, если выполняются следующие условия:
С < *j < С + b;
yj -b < (5)
- ^ < z / < ^ 2 j 2
Следует отметить, что аналитическая проверка не пересечения резцедержателей должна сопровождается визуальным контролем, осуществляемым при помощи дальнейшего BD-моделирования.
В настоящее время методика оптимизации расположения резцов на коронке, реализованная в виде отдельного модуля программного автоматизированного комплекса расчета и проектирования проходческих комбайнов, с учетом специфики самой методики и требований к точности расчетов, проходит отладку.
Список литературы
1. Семенченко А.К., Шабаев О.Е., Семенченко Д.А. Перспективы развития проходческих комбайнов // Горная техника. 2006. Каталог-справочник. СПб: ООО «Славутич». С. 8 - 15.
2., Калашников С.А., Носенко А.С. Проходческие комбайны избирательного действия отечественного и зарубежного производства / В.В. Семенов [и др. ] // Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ). 2012.
3. Маментьев Л.Е. Разработка исполнительных органов и инструмента для стреловых проходческих комбайнов и бурошнековых машин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2015. №5. С. 56 - 62.
4. Pickering R., Ebner B., Hard rock cutting and the development of a continuous mining machine for narrow platinum reefs // The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy. 2002. Р. 19 - 23.
5. Swider J., Jasiulek D. Use of a virtual prototyping in construction of a mining machine's control system // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2009. Vol. 36. Р. 160 - 167.
6. Совершенствование конструкции продольно-осевых коронок проходческого комбайна избирательного действия / А.А. Хорешок, Л.Е. Маментьев, А.Ю. Борисов, С.Г. Мухортников // Горное оборудование и электромеханика. 2010. №5. С. 2 - 6.
7. Dolipski M., Cheluszka P., Sobota P. Numerical Tests of Roadhead-er's Boom Vibrations // Vibrations in Physical Systems. Vol. 26. 2014. Р. 65-72.
8. Comakli R., Kahraman S., Balci C. Performance prediction of road-headers in metallic ore excavation // Tunnelling and Underground Space Technology. 2014. Vol. 40. Р. 38 - 45.
<
9. Влияние формы, параметров и режимов работы аксиальной коронки на эффективность процесса разрушения забоя / А. К. Семенченко [и др.] // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) . 2006. №3. С. 333- 338.
10. Predictive Models for Roadheaders Cutting Performance in Coal Measure Rocks / A. Ebrahimabadi [and other] // Yerbilimleri. 2011. № 32 (2). P.89-104.
11. Мостаков В.А. Концепция создания проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом, оснащенным шарошечным инструментом // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2014. №11. С. 151 - 153.
12. Соболь И.М. Многомерные квадратурные формулы и функции Хаара. М.: Физматлит, 1969. 288 с.
13. ОСТ 12.44.197-81. Комбайны проходческие со стреловидным исполнительным органом. Расчет эксплуатационной нагруженности трансмиссии исполнительного органа. М.: Минуглепром СССР, 1981. 48 с.
14. Жабин А.Б., Поляков А.В., Аверин Е.А. Реализация методики расчета устойчивости проходческого комбайна в табличном редакторе // Сб. науч. тр. 14-й Междунар. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики. 3031 октября / под ред. Р.А. Ковалева. Тула - Минск - Донецк: Изд-во Тул-ГУ, 2018. С. 22-28.
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., zhabin.tula@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Линник Юрий Николаевич, д-р. техн наук, проф., ynjinnik@guu.ru, Россия, Москва, Государственный университет управления,
Поляков Андрей Вячеславович, д-р техн. наук, доц., инженер-эксперт, polyakoff-an@mail.ru, Россия, Москва, ООО «Единый консалтинговый холдинг»,
Линник Владимир Юрьевич, д-р экон. наук, доцент, vy_linnik@guu.ru, Россия, Москва, Государственный университет управления
IMPROVING THE METHODOLOGY FOR OPTIMIZING THE PLACEMENT OF INCISORS ON THE EXECUTIVE BODIES OF A ROADHEADERS
A.B. Zhabin, Yu. N. Linnik, A.V. Polyakov, V.Yu, Linnik
The technique of optimizing the placement of incisors on the executive body of a roadheaders is considered. A detailed description of the calculation algorithm is given. The limits of variation of the main parameters and quality criteria are determined. A mathematical description of the condition of the intersection of the tool holders is presented, which is an important stage of optimization.
Key words: roadheaders, tunneling combine, optimization of the placement of incisors, calculation algorithm, quality criteria, condition for the intersection of tool holders.
Zhabin Aleksandr Borisovich, doctor of technical sciences, professor, zhabin.tula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Linnik Yuri Nikolaevitch, doctor of technical sciences, professor, ylin-nik@rambler.ru, Russia, Moscow, State University of Management,
Polyakov Andrey Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, docent, expert engineer, Polyakoff-an@,mail.ru, Russia, Moscow, LLC "Unified Consulting Holding»,
Linnik Vladimir Yurievitch, doctor of economic sciences, docent, vy_linnik@guu.ru, Russia, Moscow, State University of Management
Reference
I. Semenchenko A.K., Shabaev O.E., Semenchenko D.A. Prospects for the development of tunneling combines // Mining machinery 2006. Directory directory. S-Pb: LLC "Slavutich". pp. 8-15.
2., Kalashnikov S.A., Nosenko A.S. Tunneling combines of selective action of domestic and foreign production / V.V. Semenov [et al. ] // Novocherkassk, YURSTU (NPI). 2012.
3. Mamentiev L.E. Development of executive bodies and tools for boom tunneling combines and drilling machines / Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2015. No.5. pp. 56 - 62.
4. Pickering R., Ebner B., Hard rock cutting and the development of a continuous mining machine for narrow platinum reefs // The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy. 2002. pp. 19-23.
5. Swider J., Jasiulek D. Use of a virtual prototyping in construction of a mining machine's control system / Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2009. Vol. 36. p. 160 - 167.
6. Improving the design of longitudinal-axial crowns of a selective action tunneling combine / A.A. Horeshok, L.E. Mamentiev, A.Y. Borisov, S.G. Mukhortnikov // Mining equipment and electromechanics. 2010. No.5. pp. 2-6.
7. Dolipski M., Cheluszka P., Sobota P. Numerical Tests of Road-header's Boom Vibrations // Vibrations in Physical Systems. Vol. 26. 2014. pp. 65-72.
8. Comakli R., Kahraman S., Balci C. Performance prediction of roadheaders in metallic ore excavation // Tunnelling and Underground Space Technology. 2014. Vol. 40. p. 38 -45.
9. The influence of the shape, parameters and operating modes of the axial crown on the efficiency of the process of destruction of the face / A. K. Semenchen-ko [et al.] // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2006. No.3. pp. 333338.
10. Predictive Models for Roadheaders Cutting Performance in Coal Measure Rocks / A. Ebrahimabadi [and others] // Yerbilimleri. 2011. No. 32 (2). P.89-104.
II. Mostakov V.A. The concept of creating tunneling combines with a swept executive body equipped with a sharoshechny tool // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2014. No.11. pp. 151 - 153.
12. Sobol I.M. Multidimensional quadrature formulas and Haar functions. M.: Fiz-matlit, 1969. 288 p.
13. OST 12.44.197-81. Tunneling combines with a swept executive body. Calculation of the operational load of the transmission of the executive body. Moscow: Minugleprom USSR, 1981. 48 p.
14. Zhabin A.B., Polyakov A.V., Averin E.A. Implementation of the methodology for calculating the stability of a tunneling combine in a tabular editor // Collection of scientific tr. 14th International Conference on problems of mining, construction and energy "Socioeconomic and ecological problems of mining, construction and energy. October 30-31.; edited by R.A. Kovalev. Tula - Minsk - Donetsk: TulSU Publishing House, 2018. pp. 22-28.
УДК 622.26
РАЗРАБОТКА ИННОВАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ПОДЗЕМНОГО СПОСОБА КРЕПЛЕНИЯ ВЫРАБОТОК РАСПЛАВОМ ГОРНОЙ ПОРОДЫ
Н.Г. Валиев, Ю.А. Дик, В.П. Петров, Д.Р. Будник
Проводится исследование с целью найти альтернативный вариант способа крепления горной выработки, соответствующий горно-геологическим и горнотехническим условиям нахождения горной выработки и обеспечивающий безопасность работ. На основании проведенного анализа горно-геологических и горнотехнических условий рудников рассмотрен опыт применения каменного литья в смежных отраслях промышленности и возможный альтернативный вариант. Для дальнейшего изучения предполагаемой гипотезы каменно-литьевого способа крепления горных выработок предложены варианты направлений исследования свойств горных пород. Исследования направлены на крепление горной выработки расплавом породы, который образуется под воздействием электрической дуги и включает формирование монолитного упрочненного слоя вследствие создаваемой измененной горной породы по периметру выработки.
Ключевые слова: расплав горной породы, каменное литье, крепление горных выработок, безопасность горных работ.
Для сохранения конкурентоспособности, горное производство, нацеленное на долгосрочное существование, должно сопровождаться непрерывным поиском и внедрением инновационных решений. Хотя зачастую инновации сталкиваются с определенными сложностями внедрения, они являются источником резервом для существенного роста эффективности горных производств и отдельных процессов. Это особенно необходимо в периоды кризиса промышленности, когда важное направление развития принимает оптимизация производственных процессов, снижение себестоимости, повышение эффективности продаж за счет создания новых продуктов и т. д. Неслучайно инновационный путь развития продекларирован
