Синтез и оценка эффективности технических решений при агрегатировании буровзрывных проходческих систем

Актуальность проблемы. Как известно, значительная часть подготовительных выработок в горной промышленности проводится буровзрывным способом, который характеризуется хорошей приспосабли-ваемостью к различным условиям и позволяет проводить выработки по породам любой крепости. Существующий уровень отечественной техники для этого способа не обеспечивает требуемых показателей производительности и надежности оборудования, поэтому необходимы широкие поиски новых решений.

Практика очистных работ показала, что только агрегатирование машин и механизмов, основанное на кинематическом и конструктивном объединении всего забойного оборудования, позволило резко повысить производительность труда и снизить себестоимость угля. Это объясняется тем, что элементы машин, имеющие одинаковое функциональное назначение, заменяются единым органом, который перекрывает или вбирает в себя аналогичные функции обособленных машин. В результате сокращается количество узлов, масса оборудования, его габариты, энергоемкость, стоимость и т. д.

Объединение исполнительных органов функциональных машин на едином базовом элементе (движителе), осуществляющем перемещения системы относительно выработки, позволяет добиться улучшения показателей системы даже при использовании известных функциональных элементов индивидуальных машин.

Метод агрегатирования, широко применяемый в станкостроении и в горном деле при разработке очистных комплексов, с успехом используется при создании проходческих систем, например, в серии комплексов «Сибирь» [1] и агрегате «ЭЛАНГ"[2].

Однако цикличный характер буровзрывной технологии и связанная с этим необходимость обмена машин в течение проходческого цикла обуславливает ряд особенностей применения метода агрегатирования для буровзрывных проходческих систем. Простого объединения функциональных машин на общем базовом элементе, осуществляющем перемещение всей системы относительно выработки, оказывается недостаточно. Необходимо оснащать системы механизмами региональных перемещений, которые в пределах базового элемента обеспечивают возможность обмена функциональных машин и тем самым исключают конфликт последних в пространстве. В процессе проходческого цикла не все машины нуждаются в обмене, например, транспортирующий элемент (конвейер), принимающий горную массу от погрузочного органа, или призабойная крепь, предохраняющая оборудование от вывалов породы. Но бурильные машины, погрузочные органы и крепеустановщик, напротив, должны иметь возможность перемещения относительно базового элемента, иначе они не смогут выполнять свои функции. Вышеописанная ситуация характерна только для агрегатированных буровзрывных проходческих систем. В очистных и проходческих комбайновых комплексах используется поточная технология, поэтому механизмы по отделению, уборке горной массы и креплению образовавшегося пространства располагаются последовательно и в процессе работы обмениваться не должны.

Агрегатированные буровзрывные проходческие системы (АБВПС), разработанные в России, странах СНГ и дальнего зарубежья (всего около двухсот вариантов), до настоящего времени не имели научно обоснованных правил структурообразования, методов оценки и проектирования. Существующие методики расчета и оценки эффективности проходческих систем рассчитаны на проведение выработок индивидуальными машинами с технологическими связями и не учитывают особенностей агрегатированного оборудования. Кроме того, в них используется детерминированная входная информация, не учитывающая случайного характера многих воздействий, например, отказов оборудования, их ликвидации, неоднородность условий эксплуатации и других.

На основании вышеизложенного представляются актуальными научное обоснование и создание методов разработки и оценки технических решений агрегатированного оборудования с учетом фактора надежности и случайного характера входных воздействий.

Соответствие диссертации плану работ ЮРГТУ (НПИ) и целевым комплексным программам. Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГТУ (НПИ) «Интенсивные ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных пластов, использование углей и охрана труда», утвержденного Ученым советом ЮРГТУ (НПИ) в 1994 г.- НИР ЮРГТУ по теме П-53−717 «Исследование рабочих процессов и совершенствование конструкций горнопроходческих машин».

Цель работы. Обоснование направлений повышения эффективности проведения выработок буровзрывным способом путем разработки принципов, инженерной методики синтеза и оценки эффективности аг-регатированных буровзрывных проходческих систем с учетом фактора надежности.

Идея работы заключается в рассмотрении АБВПС как конструкций, созданных по единым структурным правилам, использование которых позволяет компоновать системы, отвечающие определенным функциональным требованиям и давать оценку эффективности таких систем с учетом вероятностного характера воздействий на их функционирование, а также синтезировать принципиально новые технические решения применительно к конкретным условиям эксплуатации.

Научные положения, выносимые на защиту:

— формализованное описание агрегатированных структур систем горнопроходческих машин учитывает особенности компоновки и функционирования агрегатированного оборудования, состав и взаимосвязь элементов, позволяет построить структурную систематизацию АБВПС, которая отличается новыми классификационными признаками, дает возможность идентифицировать существующие классы конструкций и наметить новые технические решения;

— имитационно-статистическая модель функционирования систем горнопроходческих машин, в том числе агрегатированных, учитывает вероятностный характер информации о надежности оборудования и формировании производительности, количество и тип материальных связей, режим работы элементов системы в процессе циклаустановлено влияние перечисленных факторов на производительность систем;

— эксплуатационная производительность АБВПС, в сравнении с аналогичным комплектом, при агрегатировании машин возрастает за счет сокращения количества однотипных элементов и времени обмена функциональных машин, что приводит к уменьшению числа отказов и продолжительности простоев, связанных с их ликвидацией;

— порядок процедур синтеза и оценки эффективности технических решений АБВПС, основанный на имитационно-статистическом моделировании их функционирования с учетом структуры систем и показателей их элементов, позволяет для конкретных условий эксплуатации получать рациональные варианты технических решений.

Новизна работы состоит в том, что:

— впервые разработана структурная систематизация АБВПС, базирующаяся на принципах системного подхода, отражающая общие правила структурообразования АБВПС, включающая ряд новых классификационных признаков, учитывающих особенности компоновки и функционирования агрегатированного оборудования;

— разработанная имитационно-статистическая модель функционирования буровзрывных проходческих систем, в том числе агрегатиро-ванных, учитывает смену их состояний в процессе цикла, время пребывания в различных состояниях, влияние материальных связей, вероятностный характер информации о надежности оборудования и параметрах проходческого цикла, позволяет моделировать проведение выработки как случайный процесс и установить зависимости эффективности функционирования проходческих систем от показателей их элементов и условий эксплуатации;

— разработанный порядок процедур синтеза технических решений АБВПС, включающий выбор и оценку эффективности альтернативных вариантов проходческих систем, позволяет для заданных условий эксплуатации получать наиболее эффективные технические решения, удовлетворяющие требованиям технического задания.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных апробированных методов исследований, включающих: патентный поиск и анализ научно-исследовательских работ по рассматриваемому вопросустатистические методы планирования вычислительных экспериментов, выполненных с использованием современных ЭВМ и программных продуктовоценку адекватности результатов исследований реальному процессуотносительная ошибка в определении средних значений не превышает 14%, что удовлетворяет данному типу исследований.

Значение работы. Научное значение работы состоит в разработке принципиально нового подхода к вопросу структурообразования агрегатированных буровзрывных проходческих систем, который позволяет выявить их общие классификационные признаки и правила построения структурописании функционирования проходческих систем как стохастического процесса с учетом возможных структурных состоянии в течение циклаустановлении влияния агрегатирования и основных параметров элементов на эффективность систем.

Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты, в частности, методика синтеза и оценки технических решений, а также программа для ЭВМ, моделирующая функционирование АБВПС, использованы при синтезе новых технических решений систем горнопроходческих машин, применительно к конкретным условиям эксплуатации и направлены на дальнейшее совершенствование методов проектирования проходческих систем с использованием ЭВМ.

Внедрение результатов диссертационных исследований.

Основные результаты диссертационных исследований — принципы систематизации АБВПС и методические основы синтеза технических решений АБВПС — внедрены в ННЦ ГП-ИГД им. А. А. Скочинского при выполнении работы: 193 056 000−035 «Разработать предложения по созданию новых эффективных технологий буровзрывных работ при проведении полевых выработок в крепких породах».

Результаты исследований рекомендуются к использованию конструкторским организациям и профильным заводам угольного машиностроения при модернизации имеющихся и разработке новых образцов проходческой техники. Принципы создания и систематизации АБВПС включены в учебный курс «Буровзрывные проходческие системы» для студентов специальности 170 100 «Горные машины и оборудование» (по ОКСО 150 402) в виде разделов учебных пособий, имеющих рекомендательный гриф:

— «Буровзрывные проходческие системы» — Министерство образования РФ;

— альбом конструкций и схем — УМО по высшему горному образованию Министерства образования РФ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на научно-практической конференции ЮжноРоссийского отделения Академии горных наук (1998г.) — на симпозиумах «Неделя Горняка — 2000» (Москва, 2000 г.) и «Неделя Горняка — 2003» (Москва, 2003 г.) — «Неделя Горняка — 2004″ (Москва, 2004 г.) — на заседании учебно-методической комиссии по специальности 170 100 Торные машины и оборудование» в ЮРГТУ (НПИ), 20−22 сентября 2001 г.- на 4552 научно-практических конференциях ШИ ЮРГТУ (ИЛИ) — на научных семинарах кафедры «Горные машины и оборудование» (1997;2003г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 15 печатных работ, в том числе 2 учебных пособия в соавторстве, 1 монография в соавторстве, 2 патента на изобретения.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложенийизложена на 263 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 28 таблиц, список использованных источников из 84 наименований, приложения представлены на 74 страницах.

Основные выводы и результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. В результате анализа современных классификационных систем горнопроходческого оборудования и существующих вариантов технических решений агрегатированных комплексов, разработана систематизация агрегатированных буровзрывных проходческих систем, учитывающая, помимо существующих, новые классификационные признаки. Описание технических решений агрегатированных систем предложенной совокупностью признаков позволяет рассматривать их как конструкции, созданные по единым структурным правилам, систематизировать существующие варианты и генерировать новые технические решения.

2. Формализованное описание агрегатированных систем горнопроходческих машин, разработанное с учетом их структурной систематизации, отражает особенности компоновки, конструкции и функционирования агрегатированного оборудования, состав и взаимосвязь элементов.

3. Разработана имитационно-статистическая модель функционирования буровзрывных проходческих систем, в том числе агрегатированных, которая учитывает вероятностный характер информации о надежности оборудования и формировании производительности, количество и тип материальных связей, смену состояний системы в процессе цикла, время пребывания в различных состояниях, позволяет моделировать проведение выработки как случайный процесс. Разработан программный продукт для имитации функционирования систем и оценки их эффективности.

4. Комплекс экспериментальных исследований на модели и обработка данных хронометражных наблюдений за работой эксплуатируемой горнопроходческой техники подтвердили адекватность результатов вычислительного эксперимента реальным процессам.

5. Результаты статистических испытаний позволили установить влияние агрегатирования оборудования и основных показателей составляющих элементов на эффективность буровзрывных проходческих систем. Установлено, что агрегатирование повышает эксплуатационную производительность буровзрывных систем в сравнении с комплектами индивидуальных машин за счет сокращения количества однотипных элементов и времени обмена исполнительных органов, что приводит к уменьшению числа отказов и продолжительности простоев, связанных с их ликвидацией. Изменение эффективности функциональных элементов в агрегатированных комплексах оказывает большее влияние на конеч-. ный результат, чем в комплектах.

6. Разработан алгоритм синтеза технических решений агрегатированных систем, включающий выбор и оценку эффективности альтернативных вариантов, основанную на имитационно-статистическом моделировании их функционирования, который позволяет на основе технического задания заказчика получать наиболее эффективные технические решения для заданных условий эксплуатации. Реализация процедур алгоритма синтеза позволила получить новые технические решения агрегатированных систем, использование которых позволит, по прогнозным показателям, обеспечить высокие темпы проходки (свыше 180 м/мес) горных выработок больших и средних сечений по крепким породам с одновременным увеличением производительности труда в 1,5 раза.