книги из ГПНТБ / Глушко В.В. Характеристики режимов работы горных машин и их автоматическое управление

блока с разной сопротивляемостью резанию. Эксперимент должен проводиться при использовании двух комплектов режущего инстру­ мента: острого и затупленного. Затупление инструмента должно быть естественным. Качество процесса автоматического управления опре­ деляется путем обработки данных об изменении нагрузки и средних величин скорости подачи при работе машины на различных участках блока, зафиксированных самопишущим прибором.

Предварительная количественная оценка технико-экономической эффективности автоматического управления может быть получена путем определения по данным записи нагрузки привода машины при работе с автоматическим регулятором и без него на одних и тех же участках блока средних величин нагрузок, допустимых по условиям устойчивости привода при работе САУ и без нее. Одновременно для

В зависимости от типа горной машины и применяемого на машине привода характер нагрузки может определяться по данным записи самопишущими приборами следующих величин: Мзв — крутящего момента на валу звезды исполнительного органа; F — усилия подачи исполнительного органа машины, например в тяговой цепи струговой установки; / — тока асинхронного электродвигателя; Р — потребля­ емой мощности; и— скорости вращения привода, например при ис­ пользовании в качестве привода машины гидротурбин, пневмодвигателей и т. п.

Характер изменений средней скорости подачи машины или испол­ нительного органа может быть определен по данным записи самопи­ шущими приборами: со — угловых скоростей на приводной звездочке

При предварительном определении технико-экономической эф­ фективности должны фиксироваться: ѵп, с р — средняя скорость пода­ чи; t — время подрубки; 5У Д — пройденный машиной путь за опре­ деленное время; сопр — угловая скорость двигателя привода подачи.

На рис. 55 приведены для примера осциллограммы давлений Ри — в начале трубопровода (у насоса) и Рм — в конце трубопровода

172

(у гидродвигателя), полученные при исследовании комбайна БКТ-1 на углецементном блоке.

Исследованиям на заводских или испытательных стендах подле­ жат натурные образцы узлов и элементов горных машин, установок

икомплексов в процессе создания САУ. Целью исследований яв­ ляется снятие статических и динамических характеристик узлов и эле­ ментов, заложенных в конструкцию горной машины, для которой со­ здается САУ. Это необходимо для получения исходных данных для создания конкретной САУ или проверки соответствия исследуемых параметров элементов машины параметрам данной САУ. Если обна­ ружено несоответствие параметров, полученные при исследованиях на заводских стендах данные могут быть использованы для выбора новых с требуемыми параметрами элементов горной машины или для корректировки параметров автоматического регулятора САУ. Объем

исодержание отдельных этапов этих исследований определяются целью исследований.

На заводских стендах могут сниматься следующие характери­ стики:

гидротурбинного привода:

гидрообъемного привода:

4)зависимость производительности насоса от эксцентриситета ротора насоса Q = / (Ô);

5)характеристики разгона гидросистемы при различных конеч­

ных моментах на валу гидродвигателя п = f (t, Мгр);

6) характеристики разгона гидросистемы при различных настрой­

тивление регулирующих элементов гидравлической системы управ­ ления);

7) характеристики разгона гидросистемы при различных величи­

в зависимости от параметра, регулирующего скорость вращения гид­ родвигателя.

Эти исследования могут проводиться на заводском стенде, состоя­ щем из двух гидромеханизмов подачи, гидродвигателя и отклоня­ ющей балки (рис. 56). Один из гидромеханизмов используется в каче­ стве нагрузочного устройства. Гидродвигатель и гидронасос с экс­ центриситетом, близким к нулю, включены параллельно на одну сеть. Напорная и сливная магистрали гидромеханизма подачи, служащего нагрузкой, соединены с холодильным устройством.

При проведении заводских исследований запись всех необ­ ходимых параметров производится самопишущими приборами:

173

осциллографом на пленку, бумагу или многоканальными само­ пишущими приборами на магнитную ленту. Для снятия указанных параметров необходимы датчики угловой скорости, линейной ско­ рости, давления, положения цапфы насоса, усилия и другие.

В качестве датчика угловой скорости могут быть использованы тахогенера.торы постоянного или переменного тока, линейной ско­ рости — специальные малоинерционные датчики. Давление может измеряться манометром с электрическим выходом или тензометром, усилие — пружинным динамометром с электрическим выходом или тензодинамометром. Положение цапфы гидронасоса может фикси­ роваться при помощи линейного потенциометра, движок которого соединяется с подвижным элементом гидронасоса.

По результатам замеров может быть определен объемный к. п. д. гидросистемы.

Взаводских условиях могут быть исследованы также переходные процессы при работе электрогидравлических золотников или электро­ гидравлических сервомеханизмов в реальных условиях их работы. По полученным данным с учетом влияния остальных элементов САУ может быть определено время чистого запаздывания, вносимое этими элементами. Запаздывание оказывает существенное влияние на ка­ чество процесса регулирования и защитные свойства САУ.

Взаводских условиях могут проводиться исследования и других

элементов машины и автоматических регуляторов.

§ 3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЙ

Анализ и синтез систем автоматического управления режимами работы могут быть произведены на основе существующих аналити­ ческих методов исследойаний систем автоматического управления. Теория этого вопроса в настоящее время разработана довольно глубоко [81, 82, 108] и поэтому здесь подробно не рассматри­ вается.

Однако точный аналитический расчет нелинейных или сложных линейных систем представляет собой трудно разрешимую задачу. Поэтому, как уже указывалось выше, инженерные исследования САУ целесообразно проводить, сочетая приближенные аналитические расчеты с экспериментальными исследованиями.

Аналитический метод исследований необходим прежде всего для математического описания объекта регулирования и элементов автома­ тического регулятора по экспериментальным данным, полученным при проведении промышленных исследований и исследований на углецементном блоке и заводских стендах. Отдельные элементы этого про­ цесса являются детерминированными и могут быть описаны анали­ тически. В целом главный рабочий процесс взаимодействия горных машин с забоем носит стохастический характер, обусловленный слу­ чайным характером сопротивляемости массива разрушению. При ис­ следовании некоторых параметров горных машин большое значение приобретают статистические методы.

176

Системы автоматического управления могут улучшать протека­ ние различных процессов, сопутствующих резанию горных массивов. Учитывая, что различный характер этих процессов по-разному влияет на структуру образования САУ и их качественные показа­ тели, при создании САУ возникает необходимость в исследовании процессов, характеризующих резание. Эти процессы могут быть детерминированными или случайными. К первым, например, отно­ сится изменение момента на валу рабочего органа при изменении скорости резания по причине увеличения диаметра обрабатываемой поверхности выработки. Протекание этого и некоторых других про­ цессов может быть с высокой степенью приближения описано точ­ ными математическими соотношениями. Некоторые процессы носят не детерминированный, т. е. случайный характер. К ним относятся процессы изменения крепости разрушаемого массива, образования заштыбовки рабочего органа и т. п.

Детерминированные процессы, происходящие при резании, де­ лятся на периодические и непериодические.

Периодические процессы, как правило, являются функцией вре­ мени и какого-либо конструктивного параметра объекта управления, например функцией угловой частоты элементов исполнительного ор­ гана горной машины. Эти процессы бывают гармонические или поли­ гармонические. Полигармонические процессы могут возникать при работе горных машин, имеющих несколько шнеков, буров или дру­ гих элементов, влияющих на характер изменения момента на валу рабочего органа.

Кпериодическим процессам, характеризующим резание, отно­ сятся колебания величины стружки по причине неуравновешенности активного рабочего органа, его отдельных элементов или машины, а также колебания тока или мощности привода объекта. Эти процессы могут быть представлены функцией времени или в амплитудночастотном изображении. Спектр этих процессов будет дискретным.

Кполигармоническим процессам можно отнести колебания вели­ чины стружки в связи с особенностями стружкообразования при работе многорезцового активного исполнительного органа и анало­ гичные колебания тока или мощности привода, усилия резания, уси­ лия в звене подачи и т. п. Их период и основная частота будут опре­ деляться угловой частотой вращения активного рабочего органа, а высокая частота — числом резцов. Этот процесс может быть описан рядом Фурье. Процесс состоит из постоянной компоненты h0, болыногр

чальные фазы не принимать во внимание, что на практике допустимо, то мы имеем дискретный спектр. В особых случаях компонента с ос­ новной частотой может отсутствовать (например, в случае возникно­ вения биения).

Непериодические процессы делятся на переходные и почти перио­ дические .

К почти периодическим процессам можно отнести колебания (пуль­ сации) скорости подачи рабочего органа или режущего инструмента. Этому процессу соответствуют дискретные спектры, частоты компо­ нент которых несоизмеримы.

К переходным процессам относятся все непериодические процес­ сы, возникающие в начале ив конце операции резания или например при изменениях крепости массива.

При выходе в нишу рабочего органа выемочного комбайна пере­

При плавном уменьшении крепости массива переходный процесс

Величиной X может быть крепость массива, ток, усилие, момент, мощность привода. Температура масла гидросистемы и ток двигателя изменяются согласно второму случаю. Эти процессы нельзя предста­ вить с помощью дискретного спектра.

Внекоторых случаях их представляют, используя интеграл Фурье

Вобщем случае спектр Фурье является комплексной функцией

X(f) = A(f)e-rt(f).

К случайным процессам, сопровождающим резание, относятся: случайные изменения мощности и угла наклона пласта; случайные изменения мгновенных величин коэффициента трения при движении машины.

Случайные процессы при резании могут быть стационарными и нестационарными. Стационарными являются процессы изменения мгновенных величин скоростей подачи рабочего органа при постоян­ ных средних ее величинах, например процесс изменения нагрузки при работе объекта с системой стабилизации нагрузки, колебания крепости массива при постоянных средних ее величинах и т. д. В боль­ шинстве случаев эти процессы являются и эргодическими. Их харак­ теристики можно определить по одной выборочной реализации. Про­ цесс изменения крепости разрушаемого массива и, следовательно, процессы изменения усилия на резце или нагрузки, момента или мощ-

178

ности на валу привода главного двигателя объекта при постоянных

тельно постоянными, то, следовательно, для стационарного случайного процесса должны оставаться постоянными величины тР яор, харак­ теризующие нагрузку привода. Для стационарных случайных про­ цессов постоянно не только математическое ожидание тР, но и центрированная функция нагрузки на машину pf (т) или рр (т).

В табл. 12 приведены величины математических ожиданий мощ­ ности тР и среднеквадратичных отклонений нагрузки ар двигателей комбайнов К-101 и 2К52, полученные в различные моменты работы комбайнов в лаве со стабильной по длине забоя, относительно других лав шахт Донбасса, сопротивляемостью угля разрушению. Из таб­ лицы видно, что даже в одинаковых условиях они изменяются более чем в два раза. Подобные результаты получены и при исследовании струговых установок УСБ-2М и УСТ-1. В некоторых условиях мате­ матические ожидания колеблются значительнее. Еще в большей сте­ пени различаются их нормированные автокорреляционные функции Р Р (Т). При большом количестве полученных в период проведенных исследований комбайнов и стругов автокорреляционных функций все они имеют существенные отличия. Об этом свидетельствуют дан­ ные и других организаций.

Однако если бы даже для одной какой-то лавы математическое ожидание нагрузки было постоянным, а корреляционные функции аналогичны, то по данным, полученным для этой лавы, нельзя соста­ вить математическое описание объекта управления, поскольку САУ

должна устойчиво, с высоким качеством работать в любых горногео­ логических условиях, соответствующих полному диапазону техни­ ческих условий на машину. Это значит, что математические ожидания тр и автокорреляционные функции р Р (т) не будут неизменными.

Полнота математического описания процессов работы машин мо­ жет быть достигнута с помощью соответствующих многомерных рас­ пределений вероятностей. Однако такой метод весьма сложен, а для нестационарных процессов становится практически нереализуем. Проще описать нестационарные процессы заданием текущих значе­ ний числовых характеристик и произвести усреднение по ансамблю реализации. Для процесса работы горной машины текущие значения числовых характеристик могут быть определены методами исследова­ ний стационарных случайных процессов путем усреднения за ин­ тервал времени, существенно меньший периода нестационарности. При этом оценка текущих значений характеристик будет производить­ ся с ошибкой, обусловленной конечностью времени усреднения. Эта ошибка зависит от соотношения между временными и спектральными характеристиками стационарной и нестационарной части процесса. Чем больше разнесены их спектры, тем меньше ошибка. Возможность использования этого метода основана на том, что нестационарный процесс работы горных машин может быть приведен к стационарному относительно данной характеристики случайного процесса.

Рассмотрим, как изменяются вдоль лавы параметры, влияющие на пульсации скорости подачи машины:

где с — жесткость цепи; Al — удлинение цепи;

В— коэффициент, характеризующий механические свойства за­ боя, состояние резцов, изменение мощности пласта и т. п.;

ными, связанными с отклонением крепости угля, появлением твердых включений, трещин, изменением транспортирующей способности ис­ полнительного органа, изменением угла наклона лавы, изменением направления подачи машины, отжатием угля по всей лаве при ее простое. На рис. 57 показаны возможные характеристики изменений указанных величин по длине лавы.

Хотя изменение некоторых параметров по длине лавы носит слу­ чайный характер, вероятностные характеристики повторяются при повторении циклов перемещения горной машины в условиях данной лавы. Процесс работы горной машины является процессом с медлен­ ным проявлением нестационарности, поэтому определение текущих значений и проверка стационарности возможны с помощью одной реа­ лизации. Проверка процесса на стационарность на выбранном для

180

определения числовых характеристик процесса работы горной ма­ шины интервале реализации может быть практически произведена следующим образом.

Рис. 57. Возможные характеристики изменений математических ожиданий параметров работы комбайна по длине лавы

По записи реализации длительностью Т вычисляются корреляци­ онные функции нагрузки р„ (т), р'0 (т), pô (т), которые затем сравни­ ваются:

г

Если

Р „ ( Т ) ^ Р ; ( т ) ^ р а ( т ) ,

то процесс для текущих значений можно считать стационарным (рис. 58).

Для получения не связанных с текущим временем характеристик нестационарного процесса работы горной машины необходимо в пер­ вую очередь определить текущие значения математического ожидания нагрузки машины тп^ скорости вращения привода шп, соответствующих

181

лизаций, охватывающих пределы условий работы конкретной горной машины, оговоренных ее технической характеристикой. В дальней­ шем необходимо произвести усреднение полученных значений по ан­ самблю реализации.

Рис. 58. Корреляционные функции случайного процесса при проверке его на стационарность

Корреляционная функция, определенная усреднением по ансамб­ лю двух моментов времени tx = t и t2 = t + т, представляет интеграл Фурье — Стильтьеса.

Например, для нагрузки на машину

Усредненные по совокупности реализаций текущие спектры от­ дельных реализаций [22]

182