Разработка программы расчета параметров при управлении фронтальным струговым агрегатом в плоскости пласта

П.Ю. Панкрушин

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ФРОНТАЛЬНЫМ СТРУГОВЫМ АГРЕГАТОМ В ПЛОСКОСТИ ПЛАСТА

Рассмотрены основные направления совершенствования струговой выемки. Проанализированы математические методы слежения за струговым агрегатом в плоскости пласта, в том числе и в забоях с непараллельными штреками. Ключевые слова: фронтальный струговый агрегат, струговая выемка, алгоритм программы.

ГТа сегодняшний день основным средством механизации

И выемки угля на пологих пластах являются механизированные комплексы. Они применяются на шахтах всего мира уже несколько десятков лет. Как и всякая техника, они непрерывно совершенствуются и прошли большой путь эволюции.

Узкозахватная технология выемки, пришедшая на смену широкозахватной, базируется на применении выемочных комплексов, состоящих из узкозахватной выемочной машины (комбайна или струга), передвижного забойного скребкового конвейера и механизированной крепи. За прошедшие годы эта технология стала определяющей в развитии комплексной механизации добычи угля подземным способом, как в РФ, так и за рубежом. Основными направлениями совершенствования комплексов являются повышение надежности их работы и автоматизация процессов управления машинами.

Механизированные комплексы имеют недостатки, которые невозможно устранить даже при их последующей автоматизации, прежде всего это - многооперационность процесса добычи и цикличный характер работы комплекса, которые являются причиной существенной разницы (в 2-3 раза) между максимальной производительностью очистного комбайна и эксплуатационной производительностью комплекса.

Решение задачи перехода к технологии добычи угля без постоянного присутствия человека в очистном забое при дистанционном и автоматическом управлении оборудованием, а также повышения

технико-экономических показателей требует разработки качественно новой технологии ведения работ в лаве, заменяющей узкозахватную технологию. Такой технологией стала фронтальная поточная технология выемки угля с применением угледобывающих агрегатов, характеризующихся тесной конструктивной увязкой в одно целое специальных машин и механизмов, созданных с целью полной механизации основных и вспомогательных процессов, совмещения их во времени и по длине очистного забоя и обеспечения однооперационного характера работы.

Агрегат позволяет механизировать выполнение основных и вспомогательных технологических операций по добыче угля в очистном забое при их строгом совмещении во времени и при такой степени увязки, когда создаются условия для автоматизации процесса работы и поточной добычи угля без присутствия людей в забое. Исключением являются случаи контроля, ремонта и наладки машин, механизмов и оборудования.

Процесс добычи угля в забое сводится к управлению машинами и оборудованием агрегата с пульта управления, установленного в прилегающей к забою выработке.

К настоящему времени наиболее совершенным и перспективным очистным фронтальным струговым агрегатом является Ф-1. Фронтальный агрегат состоит из линейных и базовых секций механизированной крепи с гидрооборудованием, крепей сопряжения, конвейера, исполнительного органа с системой пылеподавления, электрооборудования, гидрооборудования, аппаратуры управления и автоматики.

По мере подвигания забоя осуществляется подхватывание обнажаемой кровли козырьками базовых секций крепи, подвигание которых обеспечивается одновременно с подвиганием конвейера и направляющих исполнительного органа.

Конвейер является основной частью базы агрегата, на нём установлены нижние направляющие исполнительного органа. Верхние направляющие подвешены на перекрытиях базовых секций, которые шарнирно связаны с конвейером. Таким образом, подвигание базы конвейера обеспечивает одновременную подачу исполнительного органа на забой и подхватывание обнажаемой кровли по всей длине забоя.

Исполнительный орган агрегата предназначен для отделения угля от массива и погрузки его на забойный конвейер.

Передвижение агрегата в плоскости пласта обеспечивает подачу исполнительного органа на забой. В связи с тем, что агрегат движется на забой фронтально, имеет значительную протяженность по длине лавы и состоит из кинематически и конструктивно увязанных между собой элементов с индивидуальными приводами, движением его в плоскости пласта необходимо управлять. Необходимость этого управления обусловливается многими причинами, основными из которых являются следующие: забой на флангах ограничен боковыми выработками, на которых находится технологическое оборудование, определённым образом связанное со средствами механизации в забое. Чтобы обеспечить взаимодействие оборудования в лаве и на штреках, необходимо управлять процессом выемки относительно последних. Технологический процесс выемки полезного ископаемого обусловливает определённую форму и направленность забоя в плоскости пласта. Наконец, для обеспечения надежности узлов и машин агрегата при значительной протяженности их по фронту забоя с ограниченной степенью свободы в кинематических связях, необходимо обеспечивать их определённое положение в плоскости пласта.

Изменение гипсометрии почвы пласта по лаве вызывает изменение её длины, а длина агрегата остаётся постоянной. Непарал-лельность и кривизна штреков тоже изменяет длину лавы. Компенсировать несоответствие длины лавы и агрегата можно путём изменения его положения в плоскости пласта. Большие скорости по-двигания забоя обусловливают частый перемонтаж агрегата в новый забой. Этот процесс по сравнению с аналогичным для очистного комплекса более трудоёмкий и более длительный в связи с необходимостью наладки систем управления и автоматики. Поэтому очистной агрегат должен переводиться из одного забоя в другой без перемонтажа. Для этого он должен обладать такой маневренностью в плоскости пласта, которая позволяла бы ему разворачиваться вокруг одного фланга. Применительно к автоматизированным агрегатам процесс их разворота из одного забоя в другой без перемонтажа является особенно актуальным и экономически необходимым.

Система управления очистным агрегатом в плоскости пласта в структуре агрегата является одним из функциональных элементов системы передвижения агрегата по пласту и связью между базой и

механизированной крепью. Для поддержания прямолинейности у агрегата должна быть задающая линейка, которая способна обеспечить, как жёсткость системы, так и необходимую для управления стрелу прогиба не превышающую 2% от длины агрегата.

Средства управления движением агрегата состоят из трёх функциональных элементов: средств управления в плоскости пласта, средств управления по гипсометрии пласта и средств управления по мощности. Эти элементы представляют собой обособленные подсистемы и являются в очистном агрегате связями между его функциональными машинами. Увязка последних осуществляется через базу.

Подсистема управления агрегатом в плоскости пласта состоит из: опорного механизма - секции крепи, системы поддержания прямолинейности, базы и режущей части исполнительного органа, обрабатывающей грудь забоя. Эта подсистема передвигает агрегат в плоскости пласта и взаимодействует со средой через опорные механизмы и исполнительный орган.

Система управления агрегатом в плоскости пласта представляет собой гидравлическую следящую дроссельную систему, состоящую из управляющего элемента, ведомых звеньев следящего гидропривода и ведущих звеньев гидропривода.

Управляющий элемент служит для индикации положения агрегата в плоскости пласта и управления ведомыми звеньями гидропривода.

В процессе перемещения базы агрегата на забой, при отсутствии возмущающих воздействий, скорости выдвижения всех гидроцилиндров постоянны и равны между собой. При появлении возмущающего воздействия (например, пробуксовки секции в сторону завала или управляющего сигнала) происходит нарушение прямолинейности управляющего элемента. Между его секциями образуется угол рассогласования, который является информацией о состоянии положения базы, а также сигналом для восстановления её прямолинейности. Через обратную связь данный сигнал передаётся на регулятор потока жидкости. В регуляторе потока изменяется проходная щель, изменяя расход жидкости, подаваемой в поршневую полость гидроцилиндра, что приводит, в свою очередь, к изменению скорости перемещения соответствующей секции управляющего элемента и восстановлению прямолинейности базы на данном участке.

При установившемся режиме работы системы звено выполняет функции гидроцилиндра перемещения. Для перевода системы в новое установившееся состояние подаётся управляющий сигнал, изменением скорости задающего гидроцилиндра. Вследствие этого изменяется скорость перемещения соответствующей секции управляющего элемента и нарушается его прямолинейность, что служит началом переходного процесса в системе. Заканчивается переходный процесс через определённое время, когда база займёт расчётное заданное положение.

Технологически в конструкцию агрегата Ф1 заложены принципы непрерывной выемки угля, но в результате испытаний исследователями было выявлено, что значительное количество времени тратится: на работы по выравниванию агрегата относительно штреков, на ликвидацию несоответствия ширины отрабатываемого столба полезного ископаемого и длины агрегата. Учитывая эти недостатки, наиболее целесообразным является усовершенствование схемы управления агрегатом в плоскости пласта. Оно заключается в создании типовых режимов работы, позволяющих ликвидировать простои очистной машины.

Производительность выемочных комплексов (агрегатов) зависит от целого ряда факторов и в первую очередь от горногеологических и горнотехнических условий их работы, режимных и конструктивных параметров функциональных машин и степени их использования во времени. Поэтому применительно к выемочным комплексам и агрегатам необходимо различать теоретическую, техническую и эксплуатационную производительность. В данном случае предлагается рассмотреть преимущества, которые предоставляет схема непрерывного передвижения линейных секций крепи перед схемой циклического передвижения.

Теоретическая производительность комплекса (агрегата) является максимальной, так как определяется в единицу времени непрерывной производительной работы с рабочими параметрами, максимальными для данных условий эксплуатации.

При наметившейся тенденции к дальнейшей интенсификации работы комплексов и агрегатов их надежность в эксплуатации и ремонтопригодность становятся решающими факторами увеличения технической производительности и повышения общей эффективности их применения. Для агрегатов непрерывного действия замена рабочего инструмента, а также устранение неполадок и не-

исправностей являются единственными вспомогательными операциями, определяющими их техническую производительность.

Наибольшая маневренность агрегата в плоскости пласта достигается при управлении с изменением прогиба базы. При этом система поддержания заданного положения должна обеспечивать изменение положения базы в заданной диапазоне. Кроме того, эта система в процессе управления агрегатом должна позволять перестраиваться базе с одного заданного положения на другое, сохраняя параметры положения в пределе допустимых величин.

Если идентичные звенья следящего гидропривода, расставленные фронтально по длине базы, связать одним управляющим элементом в виде шарнирной балки, получим оригинальную следящую систему поддержания любого заданного положения базы в плоскости пласта. В этой системе крайние фланговые звенья гидропривода не имеют обратной связи регуляторов потока с управляющим элементом. Они для системы являются задающими и могут управляться как непосредственно оператором, так и микропроцессором или какой-либо дополнительной системой. Входным сигналом для системы является изменение скорости крайних гидроцилиндров. Выходными параметрами являются углы в шарнирах управляющей линейки и скорость выдвижки гидроцилиндров передвижения базы. Эти параметры являются выходными параметрами системы направленного передвижения агрегата в плоскости пласта в целом.

Таким образом, система поддержания заданного положения базы будет обеспечивать заданные выходные параметры подсистемы. Принцип действия системы заключается в следующем. Изменение скорости крайних гидроцилиндров заставляет все звенья следящего гидропривода в системе соответствующим образом изменять скорость выдвижки гидроцилиндров и как следствие - углы в шарнирах базы. В зависимости от величины управляющего воздействия выходные параметры звеньев гидропривода могут принимать различное значение, а база - различное положение.

Экспериментальными исследованиями была установлена принципиальная работоспособность дроссельной системы с обратными связями. Вместе с тем, было также установлено, что использование в системе в качестве контрольного параметра положения базы только угла между секциями, вследствие большого количества стыков по длине лавы, не обеспечивает необходимое заданное

положение агрегата и затрудняет реализацию системы в промышленности.

Дальнейшие исследования дроссельной системы с обратными связями позволили установить, что обеспечить необходимую прямолинейность базы можно, если использовать, в качестве контрольных, два параметра положения базы в плоскости пласта: угол между секциями и стрелу прогиба путем применения шарнирной управляющей линейки, расположенной по длине лавы и закрепленной на базе. Связав регуляторы потока обратными связями с этой линейкой, можно управлять всеми гидродомкратами, т.к. скорость их выдвижки становится зависимой от положения линейки.

Вследствие этого система поддержания прямолинейности базы становится системой поддержания любого заданного ее положения в плоскости пласта.

Такая система была испытана в процессе испытаний агрегата Ф-1 на шахте "Юбилейная".

Гидропривод систем должен обладать жесткой механической характеристикой, которую следует обеспечивать применением регуляторов потока жидкости.

Для обеспечения непрерывности действия системы необходимо вводить обратную связь регулятора потока с управляющим элементом.

Для автоматической отработки управляющих воздействий и возмущений по длине лавы должен быть проложен единый управляющий элемент.

На основании этих положений была разработана система поддержания прямолинейности базы агрегата с обратными связями.

Система работает следующим образом. Все регуляторы предварительно настраиваются на заданную скорость подачи базы путем регулировки длины тяг. В процессе движения, вследствие внешних воздействий, база искривляется вместе с управляющей линейкой. При этом в шарнирах между пролетами линейки изменяются утлы, а также изменяется расстояние между секциями базы и управляющей линейкой. Обратные связи, соответственно, изменяют положение выходных элементов регуляторов потока и расход через них в сторону уменьшения погрешности. Разворот базы осуществляется путем изменения расхода через концевые регуляторы потока, которые управляются оператором. При этом изменение

скорости движения флангов базы является управляющим сигналом на разворот для всех регуляторов системы.

Расчет параметров системы направленного передвижения агрегата в плоскости пласта

Модели функциональных элементов системы разработаны с учетом ее взаимодействия со средой, а синтез их на основе рекомендованной структурной схемы позволяет учесть взаимодействие последних в агрегате и согласовать между собой их характеристики. Это обеспечивает системный подход к выбору параметров системы и позволяет учесть комплекс основных факторов, влияющих на направленность движения агрегата.

Расчетная схема системы направленного передвижения агрегата в плоскости пласта показана на рис. 1. На основе моделей функциональных элементов системы в работе И.Л. Пастоева [1] разработан алгоритм расчета ее параметров, блок-схема которого показана на рис. 2.

Исходными данными для расчета являются горногеологические параметры забоя, где будет эксплуатироваться агрегат, горнотехнические условия его эксплуатации, конструктивные параметры агрегата, заданные параметры маневренности агрегата и режимные параметры исполнительного органа и гидропривода

Параметры базы и ее связей, как средства обеспечения направленности агрегата, определяются из условия заданного ее положения и диапазона его изменения при работе системы в режиме изменения скорости подачи.

Режимы подачи агрегата на забой определяются из условия оптимизации параметров подсистемы исполнительный орган - доста-вочное средство с учетом конструктивных параметров режущего инструмента.

Рис. 1. Расчетная схема системы направленного передвижения агрегата в плоскости пласта

Параметры гидропривода определяются из условия обеспечения жесткой механической характеристики и синхронной работы гидроцилиндров.

Параметры системы поддержания заданного положения определяются на основе ее функциональных характеристик для режима регулирования скорости из условия минимальной стрелы прогиба при максимальном диапазоне изменения скорости подачи и минимальности времени переходных процессов в системе.

Система поддержания прямолинейности базы с регуляторами потока жидкости и обратными связями непрерывно поддерживает положение базы с заданной точностью и может применяться в агрегатах как непрерывного, так и цикличного действия.

Рис. 2

Разработанные в работе проф. Пастоева И.Л математические модели системы позволяют определить скорость подачи базы и ее положение в любой точке лавы во всех режимах движения агрегата.

Минимизация искривленности базы и времени переходных процессов в системе при значительной длине агрегата достигается уменьшением количества ведомых звеньев путем установки промежуточных задающих регуляторов потока.

Разработанный в [1] алгоритм расчета параметров системы передвижения агрегата в плоскости пласта обеспечивает системный подход к выбору параметров ее элементов и учитывает комплекс основных факторов, влияющих на направленность движения агрегата.

Для реализации данного алгоритма была разработана программа на языке С++.

Язык С++ является надстройкой над языком С. Если язык С удобен для написания малых и средних программ, то все преимущества языка С++ проявляются на больших программах и проектах.

Как и другие языки объектно-ориентированного программирования язык С++ обладает четырьмя важнейшими характеристиками: инкапсуляцией, наследованием, полиморфизмом и абстракцией типов.

Наследование позволяет одним объектам приобретать атрибуты и свойства других объектов, а также позволяет строить иерархию объектов, переходя от более общего к частному, уточняя и конкретизируя объект.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на решение актуальной задачи автоматизации процесса подземной выемки угля, особенно из пластов средней мощности. Условия работы шахтеров здесь особенно тяжелые, а перспективы реализации безлюдной выемки угля особенно важны. Возможности такой реализации связаны с применением струговых агрегатов и установок и созданием на их основе автоматизированных выемочных комплексов.

Наиболее серьезные проблемы при эксплуатации фронтального агрегата связаны с необходимостью эффективной работы в условиях непараллельности штреков. В этой связи актуальной является задача визуализации процесса прохождения агрегата вдоль штреков по мере подвигания линии забоя для управления «изгибом» агрегата с целью слежения за непараллельностью штреков. Решение этой задачи связано с разработкой программного обеспечения, позволяющего не только осуществлять визуальный контроль за прохождением агрегата, но и проектировать эффективную

отработку сложных участков, связанных с непараллельностью штреков.

Развитие информационных технологий позволяет автоматизировать различные процессы, связанные с обработкой информации, что в свою очередь способствует совершенствованию производственных процессов. В наибольшей степени это проявляется в тех областях человеческой деятельности, где еще сохраняются тяжелые условия труда, связанные с недостаточной автоматизацией и роботизацией производства. Идеи так называемой “безлюдной выемки”, которые вдохновляли создание перспективных планов автоматизации угольной отрасли в предшествующие годы, не были воплощены. Тем не менее актуальность их возрастает с интеллектуализацией труда в условиях ограниченности мировых ресурсов. В этой связи системы автоматизированного проектирования, гибкие автоматизированные и роботизированные производства, автоматизированные системы управления технологическими процессами включают информационные технологии как наиболее важную составляющую, реализующую их интеллектуальные функции.

-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пастоев И.Л. Докторская диссертация «Разработка систем перемещения автоматизированных угледобывающих агрегатов». М.1987.

2. Винницкий В.И. Исследование перемещения баз струговых агрегатов в плоскости пласта и систем их автоматического выравнивания.

3. БурчаковА.С. Анализ принципов технологий подземной добычи угля без присутствия людей под землей МГИ 1978

4. Шамис В.А. Borland C++ Builder 6: Для профессионалов. Издательство «Питер» 2005.

5. Волкова Л.П. Перспективы применения информационных технологий при создании роботизированных комплексов для выемки угля.- В акад. сб. науч. трудов «Проблемы характеризационного анализа и логического управления. - М.

1999 г. ЕШ '

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ --------------------------------------------

Панкрушин Петр Юрьевич - аспирант, aldamor@mail.ru Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru