Выбор рациональных вариантов проходческих погрузочно-транспортных модулей на основе моделирования рабочих процессов с учетом случайного характера внешних воздействий

Актуальность проблемы. Горнопроходческие работы (ГПР) при проведении выработок буровзрывным способом занимают особое место в деятельности горного предприятия: трудоемкость ГПР составляет более 25% общих трудозатрат. Проблема снижения затрат на проведение выработок остается весьма актуальной.

При множестве альтернативных направлений решения указанной проблемы необходимо выделить одно — разработка научно-обоснованных методов и процедур выбора горнопроходческого оборудования в условиях развитого рынка машиностроительной продукции. Решение такой задачи актуально по следующим соображениям:

1) существование множества вариантов машин для конкретных условий;

2) высокая стоимость оборудования и высокий уровень экономического риска;

3) завышенные рекламные характеристики оборудования заводов-изготовителей;

4) неполнота информации о рабочих процессах горнопроходческих машин, содержащихся в литературе и нормативных документах, в которых функционирование машин рассматривается на основе усредненных детерминированных моделей, что приводит к искаженным оценкам характеристик машин.

Вместе с тем, полная задача выбора горнопроходческого комплекта или комплекса является сложной и объемной, решение которой возможно на основе аналитического и имитационного моделирования. В соответствии с системной концепцией решения подобных задач необходимо обоснование целевой функции, совокупности ограничений, моделирование работы вариантов оборудования в процессах разрушения, погрузки — призабойного транспорта, крепления, сопоставление вариантов и выбор приемлемого. Это требует разработки соответствующей научно-методической основы, программного обеспечения, создания баз данных, что в настоящее время представляется затруднительным. Целесообразно приступить к решению задачи по частям.

Погрузочно-транспортный модуль проходческой системы (ППТМ) можно считать достаточно обособленным объектом, выполняющим функцию выгрузки штабеля разрыхленной взрывом горной массы и удаление её за пределы призабойной зоны. ППТМ характеризуется разнообразием конструктивных форм, многочисленными вариантами сочетания погрузочной и призабойной транспортной подсистем. Отличительная особенность ППТМ состоит в том, что средой взаимодействия является штабель кускового материала, в котором реализуются случайные процессы при внедрении, захвате порции горной массы и ее транспортировании.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научных направлений ЮРГТУ (НПИ) «Компьютерное моделирование процессов и технологий горного производства как основы создания систем автоматизированного проектирования и управления» и «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда», проекта ¦ 04.01.037 «Проходческие погрузочно-транспортные модули и подсистемы угольных шахт на основе клиновых гид-рофицированных исполнительных органов» научной программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направления науки и техники» в 2000;2002 г.

Цель работы. Повышение эффективности горнопроходческих работ путем снижения уровня риска при выборе альтернативных вариантов проходческих погрузочно-транспортных модулей на основе использования программно-методического обеспечения аналитического и имитационного моделирования рабочих процессов ППТМ.

Идея работы заключается в разработке базовых математических моделей, обосновании процедур аналитического и имитационного моделирования процессов погрузки и транспортирования кусковых пород оборудованием непрерывного и периодического действия с учетом случайного характера внешних воздействий.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Предельные технические возможности ППТМ в конкретных условиях эксплуатации определяются на основе адекватных математических моделей, аналитического и имитационного моделирования процессов формирования производительности, трудоемкости за общее время погрузки и транспортирования с учетом случайного гранулометрического состава штабеля.

2. Гранулометрический состав штабеля горной массы представляет собой непрерывную функцию распределения случайного размера куска, которая преобразуется в процессах единичных черпаний погрузочным органомобъем единичного захвата из штабеля формируется как случайный процесс внедрения и зачерпывания, при этом локальные объемы в погрузочных органах и перед их кромками описываются на основе биномиального закона распределения.

3. Производительность за чистое время работы ППТМ, в состав которого входит ковшовая погрузочная машина, определяется при последовательном использовании математических моделей сопротивлений внедрению, зачерпыванию, наполнения ковша, динамических процессов подсистем напора и подъема ковша как минимальное значение с учетом ограничивающих факторов — напорного усилия и энерговооруженности приводов, а реализация случайных воздействий со стороны штабеля горной массы проявляется через средний случайный размер куска в локальном объеме перед кромкой ковша и случайный объем единичного захвата.

4. При моделировании работы ППТМ, в состав которого входит погрузочная машина’с нагребающими лапами, учитываются взаимосвязанные динамические процессы подачи машины на штабель, захвата материала лапами, изменения объема активной зоны и управление механизмом подачислучайные составляющие объемов захвата лапами формируются под воздействием локальных изменений гранулометрического состава в зоне сдвига.

5. Пропускная способность проходческого перегружателя, входящего в состав ППТМ, определяется случайными процессами захвата порций материала клиновым тягово-транспортирующим органом и изменением гранулометрического состава материала при передаче груза из одной ячейки в другую.

Методы исследований. В работе использованы методы теории вероятностей, математической статистики, аналитического и имитационного моделирования многосвязных систем при случайном характере внешних воздействий, а также методы теоретической механики, теории электропривода.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Впервые поставлена и решена общая задача выбора рационального варианта ППТМ на основе аналитического и имитационного моделирования рабочих процессов с учетом случайного характера внешних воздействийизменения локального гранулометрического состава штабеля.

2. Разработан метод математического описания гранулометрического состава штабеля в целом и малого объема горной массы по крупности кусков, его изменения в процессах порционного отбора и перемешивания, что позволяет прогнозировать величину среднего случайного размера куска в процессах взаимодействия погрузочных органов со штабелем.

3. Уточнены математические модели процессов внедрения, зачерпывания, наполнения ковша, которые представлены в виде единой системы для определения производительности ковшовой погрузочной машины при аналитическом и имитационном моделировании с учетом влияния случайного размера кусков.

4. В математических моделях формирования производительности погрузочных машин с нагребающими лапами функционирование подсистемы «рабочий орган — штабель — призабойный транспорт» рассматривается как единый процесс с учетом формирования нагрузок в функции угла поворота ведущих дисков, положения питателя в штабеле, изменения объемов материала в активной зоне и случайного размера кусков, взаимодействующих с лапами.

5. Впервые разработана аналитическая и имитационная модели рабочего процесса проходческого перегружателя с клиновым тягово-транспортирующим органом, в которой объемы транспортирования груза в каждой ячейке взаимосвязаны случайной величиной заполнения ячейки и гранулометрическим составом.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются применением современных апробированных методов исследований: анализом научно-исследовательских работ по рассматриваемому вопросустатистическими методами планирования численных экспериментов, выполненных с использованием современных ЭВМ и программных продуктов, прежде всего, среды МаЛСас!- описанием формирования производительности ППТМ как стохастического процесса с учетом случайного состава горной массы по крупностиадекватностью результатов моделирования реальным процессам внедрения, черпания, единичного захватаотносительным расхождением средних расчетных и экспериментальных значений, не превышающим 12%.

Значение работы. Научное значение работы состоит в разработке нового подхода к моделированию совокупного рабочего процесса ППТМ, который позволяет определить производительность, удельную энергоемкость и трудоемкость подсистемы как последовательность случайных реализаций с учетом изменения свойств штабеля кусковой горной массы.

Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты, в частности, инженерная методика выбора рациональных вариантов ППТМ, а также программы для ЭВМ, моделирующие функционирование подсистемы «погрузка — призабойный транспорт» при случайных воздействиях используются при анализе реальных возможностей выпускаемого горнопроходческого оборудования, оценке ресурсов повышения его эффективности и направлены на дальнейшее совершенствование методов анализа предлагаемой на рынке машиностроительной продукции или вновь создаваемой проходческой техники.

Внедрение результатов диссертационных исследований. Основные результаты диссертационных исследований приняты к использованию в ННЦ ГП-ИГД им. A.A. Скочинского и ООО «Скуратовский машиностроительный завод» для оценки показателей типовых технологических схем проведения подготовительных выработок и фактической производительности горнопроходческого оборудования. Результаты исследований рекомендуются к применению техническим службам шахт и угольных акционерных обществ для сравнительного анализа возможностей приобретаемой проходческой техники, а также научно-исследовательским и проектно-конструкторским организациям при разработке или модернизации образцов ППТМ для проведения выработок буровзрывным способом.

Методы расчета, имитационного и аналитического моделирования, сопоставительного анализа и выбора рациональных вариантов ППТМ включены в учебный курс «Буровзрывные проходческие системы» для студентов специальности 150 402- «Горные машины и оборудование» в виде разделов одноименного учебного пособия, имеющего рекомендательный гриф Минобразования РФ.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на международных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2000;2006г.г.), заседании учебно-методической комиссии по специальности «Горные машины и оборудование» (г. Новочеркасск, 2001 г.), научно-практических конференциях: ЮРО академии горных наук (г. Шахты, 1998 г.), ЮРГТУ (НПИ) (г. Шахты, 1995;2005 г. г.), «Современное состояние и перспективы развития механизации и электрификации горного и нефтегазового производства» г. С-Петербург, 2004 г.), научных семинарах кафедры «Технологические машины и оборудование».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 печатных работ, в том числе, 1 монография в соавторстве.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 101 наименований и приложенийсодержит 54 рисунка и 47 таблиц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи, состоящей в обосновании методов повышения эффективности проведения выработок путем применения разработанных методов и процедур моделирования рабочих процессов и выбора на этой основе рациональных вариантов проходческих погрузочно-транспортных модулей при случайном характере внешних воздействий. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие основные научные и практические результаты.

1. Разработана общая структура комбинированной (аналитической и имитационной) модели для оценки предельных возможностей оборудования проходческой погрузочно-транспортной подсистемы, реализующей процессы формирования производительности в стохастической среде кусковой горной массы за чистое и общее время погрузки с учетом трудоемкости вспомогательных операций. Обоснована необходимая и достаточная совокупность математических моделей и логических взаимосвязей, позволяющая адекватно воспроизводить рабочие процессы при погрузке и призабойном транспортировании горной массы с использованием погрузочно-транспортных модулей различного конструктивного исполнения.

2. Впервые разработан метод описания гранулометрического состава штабеля горной массы и локальных объемов захвата и транспортирования по крупности как стохастический процесс. Метод позволяет производить классификацию условий погрузки горной массы не только по среднему размеру куска, но и последовательно моделировать изменение состава штабеля как непрерывную функцию распределения размера куска в зависимости от объема штабеля и захвата горной массы в процессе погрузки. Применение метода описания гранулометрического состава штабеля как непрерывной функции размера куска позволяет повысить достоверность описания рабочих процессов погрузочных и призабойных транспортных машин и рассмотреть с новых позиций процессы внедрения, зачерпывания, наполнения погрузочных органов.

3. Выполнена корректировка и уточнение ряда математических моделей рабочих процессов погрузочных и призабойных транспортных машин и создана последовательная совокупность моделей, позволяющая путем имитации выгрузки штабеля с учетом динамики процессов определить производительность за чистое и общее время погрузки и трудоемкость процесса. Оценка адекватности математических моделей проводилась различными методами, максимальное отклонение не превышает 12%.

4. В математических моделях сопротивлений внедрению ковша в штабель предложены соотношения, применимые для ковшей с осевой и боковой разгрузкой. В моделях сопротивлений зачерпыванию введены условия, описывающие ковши с различной формой боковых стенок и учитывающие взаимосвязь глубины внедрения и высоты штабеля горной массы.

5. Впервые разработана методика определения максимальной вместимости ковша и объема единичного захвата с учетом ссыпания через боковые стенки. Применение методики для оценки возможностей погрузочных машин показало, что их эксплуатационные показатели существенно завышены. Установлены причины снижения производительности ковшовых погрузочных машин с боковой разгрузкой как несоответствие параметров машины и рабочего органа.

6. Разработана имитационная модель формирования грузопотока проходческим перегружателем с клиновым тягово-транспортирующим органом с учетом вероятностного состава горной массы. Выполнено обобщение известных математических соотношений для стохастических условий преобразования грузопотока и разработаны оригинальные алгоритм и программа, позволяющая детально анализировать работу клинового тягово-транспортирующего органа в процессе эксплуатации. Модели могут использоваться и при конструировании машин этого класса.

7. С применением разработанных методов и моделей исследованы предельные технические возможности перспективных вариантов погрузочнотранспортных модулей на базе ковшовых машин. Установлено, что для конкретных горнотехнических условий могут быть выбраны варианты, повышающие технико-экономические показатели проходки выработок на 25−30%.

8. Разработана инженерная методика выбора рационального состава проходческих погрузочно-транспортных модулей для конкретных условий эксплуатации. Методика содержит общую структуру, базы данных и необходимое программное обеспечение расчетов. Применение инженерной методики позволит снизить риск потребителей при выборе погрузочно-транспортного оборудования и повысить эффективность горнопроходческих работ.