CC BY
10
Korzhev Alexander Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, Korzhev_AA@pers.spmi.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Tolstikova Maria Vyacheslavovna, student, Maria_Tolstikova@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
УДК 621-822
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-542-549
ЗАДАЧИ СИНТЕЗА ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ В ПРОЦЕДУРАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ТРИБОТРОННЫХ СИСТЕМ
Л.А. Савин, Д.В. Шутин, А.В. Сытин
Рассмотрена взаимосвязь этапов синтеза и анализа процессов проектирования мультифизиче-ских систем. Сделан анализ физико-технических эффектов в триботронных устройствах. На примере опор роторов проанализированы и проиллюстрированы основы процедур качественного синтеза физического принципа действия. В качестве опорных данных, отражающих современный технологический уровень, представлены диапазоны возможностей различных видов опор роторов, сенсорных элементов и исполнительных механизмов коррекции параметров. Представлены методические аспекты синтеза физического принципа действия проектируемых объектов с элементами различной физической природы. Сформулированы в алгоритмическом виде важнейшие этапы процедуры синтеза принципа действия три-ботронного объекта.
Ключевые слова: проектирование, синтез и анализ, моделирование, оптимизация, триботро-ника, автоматизированная диагностика, актуатор, физический эффект, узел трения, опоры роторов.
1. Введение. Современный этап научного, технологического и информационного развития отличается сложностью задач, множеством способов решения и имеет ряд особенностей. Во-первых, экспоненциальный рост объема и рассредоточенность накопленных знаний в различных предметных областях требует все больше времени на поиск необходимой информации, несмотря на появление автоматизированных поисковых систем, доступных масштабных баз данных, печатных и электронных материалов. Во-вторых, наблюдается повышение требований к качеству используемой информации во всех областях науки и техники, а также возникает задача ранжирования информации по степени ее достоверности. В связи с этим, актуальным становится структурирование научных знаний и автоматизация процесса их использования для решения конкретных научно-технических задач, в том числе, за счет формирования специальных баз данных физических эффектов. Процесс проектирования технических систем включает отдельные стадии и этапы, а исходной базой служат результаты фундаментальных и прикладных исследований, изобретательской деятельности, опытно-конструкторских работ. В общем случае выделяют предпро-ектные исследования, разработку технического задания и предложения, эскизного, технического и рабочего проектов, в рамках которых выполняется формирование комплекса конструкторской и технологической документации. На последующих стадиях создания объектов реализуется создание и комплексное исследование опытного образца, доводка изделия и организация серийного производства. Решающее значение при создании технических систем имеет начальная стадия проектирования, определяющая общее направление работ, при этом на данный этап по статистике обычно приходится менее 2% общего времени разработки изделий [1- 2].
Решение задач конструирования, оптимизации и разработки изделий и технологических процессов в настоящее время осуществляется на основе взаимосвязанных процедур синтеза и анализа, преимущественно с использованием средств автоматизированного проектирования. В технике под синтезом понимают построение мультифизических систем из отдельных узлов и функциональных модулей, что представляет собой сложную с точки зрения формализации и моделирования задачу по формированию конструктивного облика изделия. Методы решения таких задач основаны на использовании графических сред, работающих в режиме диалога между проектировщиком и компьютером [3-4]. Различают три вида задач синтеза, в которых проводят выбор принципа действия, формирование структуры и расчет параметров. Параметрический синтез является наиболее автоматизированным процессом проектирования, самым тесным образом связанный с процедурами оптимизации, и заключается в определении значений параметров системы при заданной структуре и наборе требований. На этом этапе с использованием специального программного обеспечения проводится также идентификация моделей и расчет предельных значений допусков отдельных параметров. Результатом выполнения структурного синтеза является обеспечение эффективного взаимодействия отдельных элементов, также определяются схемы конструкций, процессов, алгоритмов и документации. В данной работе рассматривается применение методов синтеза при исследовании и проектировании триботронных устройств, которые представляют собой узлы трения с интегрированными функциями автоматизированного контроля и активного управления рабочими
параметрами. Развитие данного направления науки и техники соответствует основным тенденциям современного этапа технологического развития «Индустрия 4.0», предполагающего применение в производственных процессах киберфизических систем, интернета вещей, интеллектуальных методов для обработки больших объемов данных, машинного обучения и других актуальных технологий.
2. Методические аспекты синтеза физического принципа действия. Необходимое условие эффективности технических устройств заключается в правильном выборе физических принципов функционирования отдельных компонентов и системы в целом. Задача синтеза принципа действия (ПД) имеет особую актуальность для сложных технических систем с различными физическими принципами действия отдельных компонентов. При проектировании мехатронных устройств, состоящих электромеханических, пневмогидравлических, электронных и других компонентов, синтез ПД имеет особо важное, во многом определяющее значение. Поиск и обоснование принципов действия является одним из высоких уровней инженерного творчества, требующего варьирования и оценки на уровне физико-технических эффектов. Основная трудность связана с дефицитом необходимой информации и определенным консерватизмом в принятии решений. Дело в том, что при среднестатистическом знании около 200 физических эффектов (ФЭ) инженеры используют в практической деятельности не более 100 [1, 5]. В настоящее время ведутся разработки по созданию специальных компьютерных баз данных (фондов), в которых физические явления структурированы в удобном виде для анализа и автоматизации процесса синтеза. В этих базах каждый ФЭ имеет краткое качественное, стандартное и подробное описания эффекта.
Качественный анализ основывается на использовании краткого описания физического эффекта. В табл. 1 приведены примеры описания трех хорошо известных классических ФЭ, которые наиболее часто применяются при разработке триботронных устройств (ТТУ). Представлен гидродинамический подъем ротора, возникающий за счет действия вязкостного трения при сдвиге в конфузорно-диффузорном смазочном слое при приводном вращении вала. В результате создается несущая способность (грузоподъемность) подшипника жидкостного трения, выступающего как базовый трибологический объект. Дополнение подшипника одним или несколькими исполнительными механизмами (актуаторами), влияющими на трибологические процессы в системе, переводит его в категорию ТТУ.
Таблица 1
Примеры качественного описания физических эффектов в ТТУ_
Физический эффект Входное воздействие Физический объект Выходной эффект
Гидродинамический Вращение ротора Смазочный слой подшипника ЖТ Несущая способность
Электромагнитный Электрическое напряжение Соленоид Перемещение исполнительного органа(якоря)
Пьезоэлектрический (прямой эффект) Механическое напряжение Пьезокристалл Электрическое напряжение
Одним из возможных вариантов исполнительного механизма в такой системе может быть электромагнитный актуатор, основанный на перемещении якоря под действием электромагнитного поля. В табл. 1 представлен также прямой пьезоэлектрический эффект, в котором под действием механического воздействия в кристаллах турмалина, кварца и других аналогичных материалах появляется электрическое напряжение. В настоящее время насчитывается более 500 физических эффектов, которые потенциально могут быть использованы в технических устройствах [2].
Процедура синтеза ПД начинается с выявления возможности реализации требуемой функции с помощью структурного элемента с одним ФЭ, который обеспечивает преобразование входного воздействия в выходное. Далее строятся линейные структуры путем последовательного соединения элементов с совместимыми ФЭ, в которых качественная совместимость подразумевает только совпадение наименований физических величин без проверки соответствия их значений. После этого проводится физический анализ построенных структур принципа действия. При невозможности реализовать заданную функцию с помощью линейных структур строятся подобные структуры отдельных функциональных узлов, которые затем собираются в единую сетевую структуру физического принципа действия проектируемой технической системы. Качественный синтез физического ПД представляет собой подбор только необходимых условий реализации заданной функции системы или элемента, вслед за которой необходимо решить задачу синтеза технического решения, требующего удовлетворения определенного списка требований технического задания. Каждое требование в этом списке представляет собой накладываемое на проектируемую систему ограничение с указанием необходимых значений. Некоторые требования при этом имеют критериальный характер с указанием наименьшего или наибольшего значений. По сути, задача количественного синтеза физического ПД заключается в получении свойств технической системы, которые в полной мере удовлетворяют требованиям технического задания (ТЗ). Хороший результат количественного синтеза потребует меньше трудозатрат для получения наилучших технических решений. При выполнении качественного синтеза физического ПД может быть оценено большое число ПД, подавляющее большинство которых по ряду ограничений являются недопустимыми. В инженерной практике может быть реализован вариант
задания функции (требуемый результат) проектируемого объекта без наложения дополнительных ограничений [4]. Например, требуется разработать двигательную установку ракетоносителя для полета на Марс. При этом не накладывают никаких ограничений на выбор физического принципа действия, включая вид топлива.
Качественный синтез физического ПД по заданным выходным параметрам проектируемой технической системы можно осуществить с помощью банка данных ФЭ, позволяющим получить элементарные структуры с последующим построением линейных и сетевых структур. Этот подход позволяет реализовать задачу синтеза физического ПД по поиску рационального решения на большем множестве возможных вариантов. Организация банка данных ФЭ может быть выполнена: 1) с использованием формальных определений, записанных в виде аналитических зависимостей между входными и выходными событиями, физическими объектами, ограничениями и причинно-следственными связями; 2) на основе специальных таблиц с указанием представленных выше элементов. В табл. 2 приведен фрагмент таблицы ФЭ для решения задач триботехники с указанием объектов, событий и действий.
Иллюстративный фрагмент таблицы банка данных ФЭ триботехники
Таблица 2
Физический эффект Событие Физическое тело на входе Действие Физическое тело на выходе Принятые ограничения
Трение качения Вращение шарика, ролика Твердое тело Т1 Качение По твердому телу Т2 Минимальная деформация
Деформация поверхностей Твердое тело Т1 Нагрев Поверхность тела Т1 Температура
Жидкостное трение Скольжение Твердое тело Т1 Скольжение По твердому телу Т2 Коэффициент трения Температура
Сдвиг слоев Твердое тело Т1 Нагрев Смазочный материал
Гидро-динамический клин Твердое тело Т1 Смазка На твердом теле Т2 Толщина слоя смазки
В общем случае алгоритм поиска допустимых физических ПД реализуется при проведении ряда процедур и включает: подготовку технического задания; синтез возможных ПД, обеспечивающих одновременное выполнение условий совместимости по входу и выходу; анализ совместимости эффектов в системе и анализ противоречий; разработку принципиальных схем. Рассмотренный подход синтеза физических принципов действия целесообразно использовать при проектировании технических объектов с небольшим числом физических эффектов.
3. Физико-технические эффекты в триботронных устройствах. Работоспособность роторных машин в значительной степени зависит от характеристик опорных и уплотнительных узлов. Для обеспечения эффективного функционирования на основных и переходных режимах целесообразно применять активный подвес роторов, который может быть обеспечен интеграцией средств автоматического управления протекающими в системе процессами. В качестве параметров, на изменение которых может быть направлено управление, обычно выступают несущая способность (грузоподъемность) W, предельная быстроходность ^хп], потери мощности dN, расход смазочного материала Q, устойчивость движения, динамические коэффициенты, АЧХ, а также ресурс опорных узлов [6-8].
Структурно-функциональная схема триботронной системы (рис.1) включает узел трения, которым может быть опора ротора, демпфер, уплотнение, тормозные механизмы, элементы механических передач, направляющие и другие устройства роторных машин, измерительно-информационный модуль с сенсорными элементами, систему управления с заданным программным кодом и процессором, исполнительный механизм коррекции параметров (актуатор).
Рис. 1. Структурно-функциональная схема триботронной системы
544
Принцип функционирования ТТУ основан на использовании обратной информационной связи между выходными параметрами, управляющими сигналами и корректирующими действиями. Сенсорные элементы фиксируют изменения параметров в узле трения и передают обработанные сигналы в систему управления, которая формирует корректирующее силовое воздействие на актуаторе.
В триботронных системах можно выделить следующие группы технических процессов: создание несущей способности, смазка и охлаждение в трибосопряжении; измерение геометрических, термических, расходных, кинематических, энергетических, силовых, теплофизических параметров; преобразование сигналов сенсорных элементов; выработка управляющего воздействия системой управления; действие исполнительного механизма по изменению параметров трибологического процесса; подвод энергии от внешнего источника. В табл. 3 представлены физические процессы и технические процедуры в наиболее распространенных узлах трения, а именно, различных видах опор роторов. В частности, указаны присущие подшипникам виды трения, способы создания несущей способности, фазовое состояние смазочного материала, протекание процессов смазки и охлаждения, параметры автоматического контроля и управления.
Таблица3
Физические процессы и технические процедуры в опорах роторов _
№ Физический эффект Вид подшипника Вид трения. Несущая способность Смазочный материал Смазка. Охлаждение Управление режимом Мониторинг
1 Качения (ПК) Трение качения Масла, реологические жидкости (РЖ) Пластическая. Жидкостная проточная Без управления Вибрация. Температура
2 Жидкостного трения (ПЖТ) Гидродинамический (ГДП) Гидродинамический клин Масла. Вода. РЖ Конвективный теплообмен. Теплопроводность. Проточная Изменение геометрии Износ. Температура. Зазор. Давление
Гидростатический (ГСП) Гидростатическое всплытие Сервоклапа-ном давления
3 Активный магнитный подвес (АМП) Электромагнитное взаимодействие Воздух Конвекция. Теплопроводность Управление электромагнитным полем Радиальный зазор. Вибрации
4 Магнитореологический гидродинамический (МГДП) Гидродинамический клин Магнито-реологические жидкости Проточная. Конвекция. Теплопроводность. Управление магнитным полем Давление. Зазор. Температура
5 Комбинированные опоры (КОР) Постоянная структура Изменяемая структура Жидкостное трение и/или трение качения Масла. РЖ. Пластический Пластическая. Жидкостная проточная Автоматическая, управляемая структурная адаптация Частота вращения. Температура. Вибрации
6 Скольжения (ПС) Сухое, граничное трение Пластический. Жидкость. Воздух Теплопроводность. Конвекция Датчик износа и/или температуры Зазор. Износ. Температура. Вибрации
Особенность синтеза ПД данных систем связана с необходимостью проведения процедуры не только с физическими объектами различной природы, но и выбором математического обеспечения информационно-измерительного комплекса и алгоритмов управления для достижения поставленных в техническом задании целей.
Проведем качественный анализ возможностей физических элементов подшипникового узла с функциями диагностики и управления параметрами (табл. 4.). В первую очередь рассмотрим потенциальные возможности различных опор роторов, которые в зависимости от вида трения разделяются на подшипники качения, скольжения и электромагнитным подвесом. Применение находят также совмещенные опоры, представляющие собой комбинации различных видов подшипников, уплотнений и демпфирующих устройств.
Таблица4
Характеристики наиболее распространённых типов опор роторов__
№ Вид подшипника Несущая способность (грузоподъемность) Н Предельная быстроходность [йп], мм-об./мин Коэффициент жесткости К у, Н/м Коэффициент демпфирования Ву, Нс/м Ресурс Ь, ч Массо-габа- риты й,1, мм
1 Подшипники качения 10-1...105 105 108..109 0,0001.0,1 40000 5.2000
2 Подшипники скольжения 10-1...107 более 105 105..107 0,002.0,17 35000 5.2000
3 Активный магнитный ю'.ю5 более 106 Управляемый Управляемый Не ограничен 10.1000
В подшипниках качения несущая способность (грузоподъемность) создается в результате подвижного контактного взаимодействия вращающихся сферических или цилиндрических тел с обоймами, установленными в корпусах и на валах. Трение в зоне контакта происходит вследствие деформации тел и зависит от твердости и качества поверхностей. Передача осевых нагрузок в радиальных подшипниках обеспечивается наличием дорожек на поверхностях колец и другими конструктивными особенностями. Смазка подшипников качения может быть пластической или жидкостной, в частности, с проточным движением среды с использованием насосов. В этом случае параллельно происходит также процесс охлаждения зоны трения.
В настоящее время активно применяются мехатронные ПК, так называемые устройства ASB® (Active Sensor Bearing) представляющие собой подшипники с микропроцессорным устройством (рис. 2), в состав которых входят датчики контроля вибраций, износа, температур и других параметров. Рассматриваются варианты интегрирования в эти устройства функций управления, например, изменения зазоров для снижения вибраций путем применения миниактуаторов.
Рис. 2. Подшипники качения с функцией контроля параметров
Подшипники скольжения могут быть сухим, полусухим, граничным или жидкостным трением. Без наличия смазки при работе происходит активный износ контактирующих поверхностей в результате усталостных процессов в шероховатости или микрорезания. Охлаждение обеспечивается естественной конвекцией или принудительным обдувом зоны трения. Мехатронные решения в этом случае реализуются с использованием датчиков износа и температуры [9]. В подшипниках жидкостного трения несущая способность может обеспечиваться высокими давлениями в конфузорном зазоре, появляющимися в результате сдвига вязких слоев смазочного материала при вращении ротора (гидродинамический клин) или на основе гидростатического всплытия при напорных течениях с использованием насосной подачи. Режимы охлаждения, автоматизированного контроля и управления в ГДП в значительной мере аналогичны процессам в подшипниках с сухим и граничным трением. Отличительные особенности имеют место в опорах с упругими элементами, в частности, в лепестковых аэродинамических подшипниках, в которых может быть реализовано управление величиной жесткости и демпфирования, а значит грузоподъемностью, тепловым режимом, потерями мощности и виброустойчивостью.
4. Процессы в исполнительных устройства и системах управления. Возможность модификации режимов работы является определяющей особенностью триботронных устройств, и выбор исполнительных устройств является одним из ключевых этапов их синтеза. Исполнительные элементы вместе с компонентами системы управления в триботронных системах обычно являются надстройкой над базовым вариантом их исполнения, привносящей в нее новые функциональные возможности, хотя в ряде случаев (например, активные магнитные опоры), их наличие принципиально необходимо для обеспечения работоспособности узла. В общем случае, входы и выходы такой управляющей подсистемы должны базироваться на физических эффектах, уже присутствующих в базовом варианте трибологической системы, оказывая воздействие лишь на количественные значения соответствующих параметров. Вместе с тем, промежуточные этапы преобразований внутри контуров управления могут также вступать во взаимодействие с теми или иными физическими процессами ТТУ.
Соответствующий этап синтеза ПД ТТУ должен базироваться на определении тех процессов, которые требуют вмешательства для достижения желаемых эффектов в результирующей системе. После этого выполняется качественный синтез соответствующих подсистем, в общем случае - «сенсор - преобразователь - регулятор - актуатор», основанный на генерации цепочек взаимосвязанных ФЭ, включая также энергетическую подсистему. Переключение режимов работы ТТУ может быть реализовано на основе известных физических явлений, таких как, упругих деформаций, центробежного, электродинамического (Губера), памяти формы, электромагнитного, пьзоэлектрического и других эффектов. Ввиду наличия различных ограничений, как физической, так и экономической природы, накладываемых на применяемые актуаторы ТТУ, процедуры качественного синтеза ПД должны перемежаться с процедурами количественного анализа и синтеза характеристик получаемых решений, одновременно сопоставляя их с требованиями технического задания. Обобщенные данные по характеристикам наиболее применимых в ТТУ исполнительных устройств с анализом их ключевых достоинств и недостатков приведены в табл. 5.
Согласование ФЭ, на которых базируются сенсорные и исполнительные подсистемы ТТУ часто обеспечивается применением цифровых вычислительных средств с соответствующей периферией (преобразователи сигналов, включая цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), локальные и удаленные хранилища данных, вычислительные средства и т.д.). Применение универсальных цифровых средств также дает существенную гибкость в выборе алгоритмов управления и реализующих их регуляторов.
Тип и параметры настройки системы управления во многом определяют функционирование узла трения как триботронного объекта. Параметры настройки регуляторов триботронных узлов являются объектом процедуры их параметрического синтеза, структура и соответствующие общие функциональные возможности - объектом структурного синтеза.
В ходе решения задачи синтеза принципа действия в части систем управления ТТУ принимаются следующие решения:
- о наборе параметров, которые будут поставлены в зависимость от управляющих воздействий контроллеров ТТУ;
- о видах ФЭ, которые буду задействованы в процессе реализации алгоритмов управления, в том числе о необходимости прибегнуть к использованию цифровых компонентов для этих целей;
- о типе требуемых управляющих воздействий: дискретные, т.е. связанные с переключением между несколькими детерминированными состояниями, непрерывные, либо комбинированные;
- о характере алгоритмов управления по быстродействию относительно характеристик управляемых процессов в ТТУ: характерные частоты управляющих сигналов могут быть соразмерны характерным частотам процессов, либо иметь существенно меньшее быстродействие, оказывая при этом влияние на интегральные характеристики ТТУ.
Таблица5
Типовые характеристики актуаторов триботронных систем__
№ Тип и принцип действия актуаторов Усилие Быстродействие Ход Точность Ресурс
1 Электроме- Вращательный 0,1.10000 Нм 0,1.10 с Не ограничен 0,004. 0,8 град 10000. 20 млн. циклов
ханические Поступательный 1 Н.100 кН 1.5000 мм 1.500 мкм
2 Пневмогидравлические 5 Н.1000 кН 1.20 с 250.370 мм 20.50 мкм До 10000 циклов
Прямой (пакетный) 0,15 Н. 50 кН 0,1.10 мс 1.1000 мкм 0,01.3 мкм До 100 млн. циклов
Пьезоэлектрические Изгибный 0,12.5 Н 100 мкс. 1 с 10 мкм. 5 мм 5.50 мкм До 200 млн. циклов
3 Шаговый линейный 0,2.600 Н 1.10 мс 100 нм. 10 мм Менее 1 нм От 100 циклов до 1,4 млн. циклов
Шаговый вращательный 0,05.1,6 Нмм 1.10 мс Не ограничен 0,01 град Более 1 млн циклов
4 Электромагнитные 0,01.3000 Н 0,05.1 с 1,8.45 мм 0,02.0,1 мм До 10 млн. циклов
5. Обобщенный алгоритм синтеза принципа действия ТТУ. Несмотря на сложность формализации задач синтеза принципа действия, и, в первую очередь, качественного синтеза, рассмотренные подходы можно систематизировать и представить в виде пошагового алгоритма. Алгоритм включает в себя укрупненные шаги, позволяющие на основе исходных требований к триботронному устройству сформировать непротиворечивую систему с возможностью ее дальнейшей параметризации, идентификации и проведения процедур структурного и/или параметрического синтеза. Алгоритм по применимости охватывает не только триботронные роторно-опорные узлы, но и в целом широкий класс триботронных систем, и включает в себя следующие шаги.
1. Комплексное изучение условий функционирования, предельных параметров, функциональных возможностей, экономических и технологических ограничений проектируемого ТТУ.
2. На основе результатов предпроектных исследований проводится формирование концептуальной схемы ТТУ с указанием взаимного расположения отдельных функциональных элементов, а именно узла трения, измерительного модуля и сенсоров, системы управления, актуаторов и элементов энергообеспечения.
3. Поиск и обоснование принципов действия отдельных функциональных элементов на основе качественного анализа с использованием баз данных ФЭ, с обеспечением согласованности всех цепочек преобразования ФЭ в системе, включая прямое и косвенное влияние друг на друга соответствующих физических процессов.
4. Количественная оценка функциональных возможностей элементов ТТУ (силовых факторов, динамических характеристик, КПД, напряженно-деформированного и теплового состояния и др.).
5. Анализ системы на наличие противоречий и выход за рамки ограничений, обусловленных физическими закономерностями, текущим уровнем науки и техники, техническим заданием на ТТУ.
6. В случае неудовлетворительного результата п.5 - повторное выполнение процедуры начиная с п.3, а при многократном повторении неудовлетворительного результата - начиная с п.2. В случае достижения удовлетворительного результата, переход к процедурам структурного и/или параметрического синтеза технического решения ТТУ.
6. Заключение. Можно констатировать, что триботорника находится в тренде современного технологического развития в области машиностроения, приборостроения и робототехники. Создание ки-берфизических систем, обработка больших объемов данных, интернет вещей во многом связаны с использованием технических устройств, в которых интегрированы функции автоматизированной диагностики и активного управления режимами функционирования. Качество и конкурентоспособность технических объектов в значительной мере основывается на правильном выборе принципов физического действия и синергетическом объединении отдельных элементов. Синтез принципа действия триботронных систем носит преимущественно качественный характер в силу сложности интегрального действия мультифизиче-ских процессов и невозможности предварительного количественного анализа. Рассмотрены методические аспекты синтеза ФПД триботронных систем с использованием качественного анализа на основе баз данных ФЭ, что позволяет на следующих этапах реализовать задачи по формированию технических решений с дальнейшими конструктивными исполнениями. Сформированный обобщенный алгоритм синтеза принципа действия триботронных узлов может рассматриваться как один из первичных шагов к формализации такого процесса и автоматизации проведения такой процедуры или ее отдельных этапов с использованием вычислительных средств.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00789, https://rscf.ru/proiect/22-19-00789.
Список литературы
1. Хорошев А.Н. Введение в управление проектированием механических систем. М., 1999.
372 с.
2. Гопта Е.А. Автоматизация процесса синтеза структур физического принципа действия: дис. ... канд. техн. наук. Волгоград, 2014. 135 с.
3. Альтшуллер Г.С. Найти идею: введение в теорию решения изобретательских задач. Новосибирск: Наука, 1986. 209 с.
4. Джонс Д.К. Методы проектирования. М.: Мир, 1986. 326 с.
5. Pahl G., Beitz W. Engineering Design. London, 1984. 430 р.
6. Савин Л.А., Соломин О.В. Моделирование роторных систем с опорами жидкостного трения: монография. М.: Машиностроение-1, 2006. 444 с.
7. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике: Справочное пособие для инженеров, конструкторов и изобретателей. В 5 т. М.: Наука, 1979. 350 с.
8. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочник. В 2 кн. Кн. 1. М.: Машиностроение: в 2 книгах, 1988. 560 с.
9. Патент 2752741 РФ. Подшипник скольжения / А.Ю. Родичев, Р.Н. Поляков, Л.А. Савин, С.В. Майоров, Ю.Н. Казаков. Опубл. 30.07.2021. Бюл. № 8.
10. Theoretical and experimental study of motion suppression and friction reduction of rotor systems with active hybrid fluid-film bearings / Sh. Li, Ch. Zhou, L. Savin, D. Shutin, A. Kornaev, R. Polyakov, Zh. Chen // Mechanical Systems and Signal Processing. Т. 182. 2023. Ст. № 109548.
Савин Леонид Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, savin325 7 mail.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет им. И. С. Тургенева,
Шутин Денис Владимирович, канд. техн. наук, доцент, rover.ru@gmail.com, Россия, Орел, Орловский государственный университет им. И. С. Тургенева,
Сытин Антон Валерьевич, канд. техн. наук, доцент, sytin@mail.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет им. И. С. Тургенева
TASKS OF SYNTHESIS OF THE PRINCIPLE OF ACTION IN THE PROCEDURES OF DESIGNING TRIBOTRONIC SYSTEMS
L.A. Savin, D.V. Shutin, A.V. Sytin
The relationship between the stages ofsynthesis and analysis of the processes ofdesigning multiphysical systems is considered. The analysis of physico-technical effects in tribotronic devices is made. On the example of rotor bearings, the basics of procedures for the qualitative synthesis of the physical principle of operation are analyzed and illustrated. As reference data, reflecting the modern technological level, the ranges of possibilities of various types of bearings, sensors and actuators for correction of operating modes are presented.
548
Methodological aspects of the .synthesis of the physical principle of operation of designed objects with elements of different physical nature are presented. The most important stages of the procedure for synthesizing the operating principle of a tribotronic object are formulated as an algorithm.
Key words: design, synthesis and analysis, modeling, optimization, tribotronics, automated diagnostics, actuator, physical effect, friction unit, rotor bearings.
Savin Leonid Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, savin3257@mail.ru, Russia, Orel, I.S. Turgenev Oryol State University,
Shutin Denis Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, rover. ru@gm ail.com, Russia, Eagle, I.S. Turgenev Oryol State University,
Sytin Anton Valerievich, candidate of technical sciences, docent, sytin@mail.ru, Russia, Orel, I.S. Turgenev Orel State University
УДК 62-523.2; 004.896
НАПРАВЛЕНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ
ПОДАЧИ ОЧИСТНОГО КОМБАЙНА
Д.М. Шпрехер, А.В. Зеленков
Рассмотрен перспективный способ совершенствования системы управления электроприводом подачи очистного комбайна, основанный на применении аппарата нейронных сетей для коррекции параметров ПИ регулятора нагрузки. В результате снижаются динамические перегрузки, сокращается число аварийных режимов и повреждений. Предложено использовать нейронную сеть с векторной функцией выхода для распознавания сопротивляемости угля резанию. Проведено сравнение работы ПИ регулятора с постоянными коэффициентами с настройщиком коэффициентов, функционирующим на основе нейронной сети, и выполнена количественная оценка числа повреждений с помощью имитационной модели.
Ключевые слова: очистной комбайн, регулятор нагрузки, нейронная сеть, переходный процесс.
Введение. Мировые тенденции и тренды развития угольной промышленности непосредственно влияют на состояние угледобывающей отрасли России и стран ближнего зарубежья и свидетельствуют о перспективах ее дальнейшего развития [1]. Следовательно, еще долгое время будет сохраняться устойчивый спрос на рынок угля, а значит, необходимо наращивание добычи и ориентация на экспорт, что будет для отечественного углепрома вполне обоснованной стратегией.
Однако, анализ состояния угольной промышленности России показывает, что современная техника и технология исчерпала резервы повышения производительности и интенсивности труда, снижения уровня ручного труда и безопасности. Основным направлением уменьшения уровня ручного труда исследователи видят на путях автоматизации и роботизации операций. Но, например, в современной традиционной технологии подземной добычи угля отсутствуют существенные прогрессивные изменения. При этом шахтный (подземный) способ добычи незаменим для извлечения угля с больших глубин. Таким образом, дальнейшее повышение интенсивности добычи угля, безопасности, снижение трудоемкости и повышения эффективности лежит на путях поиска новых подходов к этой проблеме [2].
Чтобы обеспечить эффективность производства, угольные компании все чаще нуждаются в механизированном, автоматизированном и интеллектуальном горнодобывающем оборудовании. Очистной комбайн (ОК) является основным оборудованием на угольном забое, поэтому его автоматизация важна для всей автоматизации производства процесса угледобычи [3]. Поэтому от степени автоматизации работы ОК зависит эффективность и экономичность подземной выемки угля, а также ее безопасность.
ОК представляет собой сложный объект, состоящий из тесно взаимодействующих между собой приводов подачи и резания (рис.1) [4]. Привод подачи предназначен для передвижения комбайна в процессе работы с необходимым тяговым (напорным) усилием, а также при различных маневровых операциях и состоит из асинхронного двигателя подачи (АДп), редуктора подачи и вынесенных или встроенных механизмов перемещения. Привод резания содержит электродвигатель резания (АДр), редуктор резания и ИО шнекового или барабанного типа, который, вращаясь и перемещаясь поступательно, врезается в угольный массив и осуществляет разрушение угольного пласта (рис.1).
В настоящее время теоретически обоснованы несколько способов автоматизации очистных комбайнов, но на практике использование получил минимальный, который предусматривает поддержку тока, потребляемого электродвигателем АДр на заданном уровне за счет регулирования скорости подачи при неизменной скорости резания при помощи ПИ регулятора. Параметры таких регуляторов часто подобраны оптимально для нормального режима работы ОК, однако при встрече ИО комбайна с твердым включением в пачке срезаемого угля или появлении иных факторов, резко повышающих нагрузку электропривода, данные значения параметров уже не позволяют получать требуемые по качеству переходные процессы.
