Применение изложенных принципов при проектировани.

Рассмотрим применение принципов мехатроники на примере создания привода подачи очистного комбайна для тонких пластов. Подробно особенности данного привода изложены в [9] и [10].

Структурная модель (S-модель) привода подачи с некоторыми упрощениями приведена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – S-модель мехатронного узла привода подачи

 

Привод подачи включает в себя:

- два идентичных мехатронных узла МУПП₁ и МУПП₂, состоящих из электромеханического преобразователя ПЭВ (асинхронный электродвигатель), механического преобразователя ПВВ (редуктор), механического преобразователя ПВП (кинематическая передача цевочная звезда - цевочная рейка);

- преобразователь электрический ПЭЭ (преобразователь частоты по схеме с автономным инвертором);

- управляющий модуль УМ;

- коммуникационные модули КМ₁ и КМ₂.

Входной функцией для привода подачи является электрический сигнал, выражаемый функцией ε_вх, выходной – механическое поступательное движение, выражаемое функцией μ_вых, таким образом, привод подачи преобразует электрическую энергию в тяговое усилие очистного комбайна с регулированием по управляющему сигналу U_зад.

Информационная компонента в данной S-модели представлена модулями УМ, КМ₁ и КМ₂. Модуль КМ₂ преобразует сигналы о состоянии приводов в последовательный код i₁ (шина данных), данный код транслируется модулю КМ₁, преобразующему код i₁ в служебный код i₂ модуля УМ.

Модуль УМ преобразует код i₂ в синусоидальный сигнал задания выходного напряжения U_зад, который описывается следующей системой уравнений:

(12)

Здесь: k₀ – сигнал заданного оператором значения скорости подачи; I₁, I₂ – сигналы нагрузки двигателей подачи; I_р1, I_2р – сигналы нагрузки двигателей резания; k₁ и k₂ – сигналы частоты вращения цевочной звезды; t₁ и t₂ - сигналы нагрева обмоток статора двигателей подачи; t₀ – предельный нагрев.

Таким образом, УМ в данном случае выполняет функции авторегулятором скорости подачи по двум контурам – нагрузке двигателей подачи и двигателей резания, с ограничениями по предельному нагреву статора двигателей подачи и рассогласованию угловых скоростей цевочных звезд.

Электронная компонента представлена модулем ПЭЭ. Входная функция ε_н, имеет значения напряжения U_с и частоты f_с сети и преобразуется ПЭЭ в электрический сигнал ε₁ с переменными значениями U и f, которые формируются при сравнении синусоидального сигнала переменной частоты U_зад с пилообразным сигналом постоянной (несущей) частотой U_нес. Выходные сигналы преобразователя U и f связанны с сигналами на его входе следующими зависимостями:

(13)

Электротехническая компонента представлена модулями ПЭВ_i. Электрическая энергия ε₁ со значениями U и f, преобразуется в механическое вращательное движение – интерфейс ω_i1, характеризующийся моментом М_дi и угловой частотой n_дi. Зависимость выходных параметров модулей ПЭВ_i от входных описывается системой уравнений:

i=1,2

(14)

Механическая компонента представлена модулями ПВВ_i и ПВП_i. Модули ПВВ_i преобразуют интерфейс ω_i1, в интерфейс ω_i2 – вращательное движение во вращательное движение с другими параметрами. Механическое вращательное движение преобразуется модулями ПВП_i в механическое поступательное – функция μ_i. Тяговое усилие реализуется при сложении сил, создаваемых МУПП. Математическое описание механической компоненты может быть представлено следующими уравнениями:

i=1,2

(15)

Здесь: u – передаточное число редуктора; v – скорость подачи; r_ci, r_ki - приведенные силовой и кинематический радиусы зацепления [10]; N_i – тяговое усилие каждого из МУПП; N – общее тяговое усилие.

Таким образом, S-модель привода подачи МО описывается 12 уравнениями.

Управляющий сигнал для привода подачи, задаваемый либо человеком-оператором при автономной работе МАОК, либо управляющим модулем МСОК при работе комбайна в системе - сигнал заданной скорости k₀. Влияние внешней среды учитывается параметрами I_р1, N. Привод подачи имеет фиксированные ограничения - U_с, U_нес, f_с, t₀, u. Эти величины являются исходными данными для решения системы уравнений, в результате чего определяются основные параметры М_дi, n_дi, N_i, n_i, U, U_зад, f, v, а также связанные с ними сигналы обратной связи k_i, I_i, t_i.

При опытной эксплуатации комбайна УКД300 было выявлено, что заданные функционально-параметрические характеристики (скорость и усилие подач) не достигнуты. Тяговое усилие было существенно ниже расчетного, а иногда и недостаточно для перемещения комбайна. Основной причиной этого являлось существенная неравномерность распределения нагрузки между МУПП₁ и МУПП₂. Физические процессы, приводящие к этому явлению достаточно сложны, и подробно рассмотрены в работе [10]. Как показали исследования, основной причиной неравномерного распределения нагрузки является неравенство приведенных радиусов рассогласование Δr в зацеплениях звезда-рейка, обусловленное их геометрическими характеристиками. Негативное влияние неравномерности нагрузки двух приводов поясняется рисунками 2 и 3.При работе от общего преобразователя, то есть при одной частоте f, и при равенстве механических характеристик двигателей М_д1=М_д2, суммарная характеристика привода ΣМ_д=М_д1+М_д2. Если нагрузка распределяется поровну между двумя двигателями (Δr=0), то привод обеспечивает требуемое тяговое усилие N, при этом оба двигателя работают с номинальным моментом (рисунок 2, график а). В случае возникновения рассогласования нагрузок приводов, при том же требуемом суммарном усилии N, один двигатель работает с существенной перегрузкой, другой недогружен. При определенном допустимом значении Δr момент М₁, соответствующий нагрузке N₁, меньше критического момента двигателя М_к, в этом случае привод подачи продолжает работать, опасность представляет перегрев двигателя (рисунок 2, график б). При достижении Δr критического значения вся нагрузка обеспечивается одним двигателем, второй работает с синхронной частотой вращения n₂=n_с и развиваемый им момент М₂=0. Максимально возможное при этом тяговое усилие привода определяется перегрузочной способностью двигателя, так как N≡М₁=М_к (рисунок 3, график а). При недопустимом значении Δr один из двигателей работает с частотой выше синхронной, в генераторном режиме, и создает дополнительную нагрузку для другого двигателя (рисунок 3, график б).

 

Рисунок 2 – Механическая характеристика привода подачи при

оптимальном (график а) и допустимом (график б) значении Δr

 

Рисунок 3 – Механическая характеристика привода подачи при

критическом (график а) и недопустимом (график б) значении Δr

 

Таким образом, из-за конфликта в рамках механической компоненты МО, при определенных условиях возможно либо снижение качества функционирования, либо неработоспособность системы.

Анализ S-модели и ее математического описания позволяет определить методы разрешения возникшего конфликта.

1. Изменить функционально-параметрические характеристики системы в целом, ограничив область взаимодействия системы с окружающей средой, то есть снизить качество функционирования.

Для рассматриваемого примера, это означает изменение технического задания на привод подачи, ограничив область применения комбайна теми углами наклона пласта и показателями крепости угля, при которых обеспечена необходимое тяговое усилие.

2. Изменить функционально-параметрические характеристики конфликтующих компонент.

Для рассматриваемого примера необходимо выбрать параметры зацепления, при котором неравномерность нагружения отсутствовала, то есть обеспечить оптимальное значение Δr=0 для всех режимов работы. В работе [9] показана принципиальная невозможность реализации этого метода по техническим (оптимальный радиус зубчатого колеса превосходит допустимый, определяемый мощностью пласта и компоновочной схемой комбайна; невозможно обеспечить одинаковые фазы зацепления двух колес из-за наличия зазоров в реечном ставе, определяемых необходимостью изгиба конвейера в различных плоскостях) и технико-экономическим (многократное увеличение стоимости реечного става с оптимальным профилем) причинам.

3. Изменить S-модель системы, введя дополнительные модули и (или) функциональные связи для ограничения или устранения конфликта, введя дополнительные авторегуляторы, защиты, согласующие устройства; при этом дополнительные модули могут быть как той же физической природы, что и конфликтующие компоненты, так и другой.

В рассматриваемой S-модели имеется защита, отключающая двигатели при их перегрузке (по сигналам I_i) и, таким образом, обеспечивающая работу комбайна в области оптимальных и допустимых значений Δr, и отключающая его при критическом значении Δr. То есть тяговое усилие обеспечивается при определенной геометрии реечного става и конвейера_, что, как говорилось выше, не обеспечило функционирование комбайна.

Для решения конфликта в рамках механической компоненты, вместо планетарных редукторов могут быть применены дифференциальные редуктора с кинематической связью их зубчатых венцов, что позволит скомпенсировать разницу приведенных радиусов зацепления Δr при любом его значении, за счет соответствующего изменяя передаточных чисел модулей ПВВ_i, и, таким образом обеспечить равенство частот вращения, а, следовательно, и моментов обоих двигателей. В этом случае S-модель дополниться функциональной связью между модулями ПВВ₁ и ПВВ₂, характеризующейся частотой вращения зубчатого венца n_звi. Систему уравнений (15) необходимо дополнить двумя уравнениями, первое из которых связывает между собой величины u и n_звi (по формуле Виллиса), второе связывает величины n_звi между собой.

Равномерность нагрузки двух приводов при любом значении Δr может быть достигнута и введением дополнительного модуля другой физической природы - второго преобразователя частоты ПЭЭ₂. Это позволит обеспечить равенство частот вращения двигателей за счет соответствующего изменения напряжения и частоты питания каждого из двигателей отдельно. При этом S-модель дополниться структурным блоком ПЭЭ₂ с входной функцией ε_вх и выходной ε₂, характеризующейся параметрами U₂ и f₂. Система уравнений (12) будет решаться для двух значений U_зад1, U_зад2, и дополнится уравнением, связывающим значения U_зад1 и U_зад2. Система уравнений (13) будет решаться для четырех параметров U и f, для чего дополнится необходимыми уравнениями.

Первый вариант меньше усложняет структуру, следовательно, должен быть признан предпочтительным. Однако реализация этого варианта связана с необходимостью существенной корректировки основных элементов комбайна. В этом случае целесообразно рассмотреть возможность изменения компоновочной схемы комбайна, и устранить конфликт вторым способом.

Второй вариант, в случае расположения преобразователя на штреке, потребует прокладки дополнительного кабеля к комбайну, что наложит ряд ограничений на функционирование комбайна в рамках МСОК (более широкий кабелеукладчик потребует удлинения консоли крепи, а, следовательно, снизит ее несущую способность и ограничит область применения). В случае расположения преобразователя на борту комбайна, данный вариант нереализуем из-за ограниченных габаритов. Кроме того, стоимость этого варианта слишком высока.

4. Изменить функционально-параметрические характеристики других, не конфликтующих компонент, то есть решить конфликт в области компонент другой физической природы.

В случае очистного комбайна для тонких пластов конфликт был разрешен именно этим способом.

Как видно из рисунков 2 и 3, для увеличения возможного тягового усилия, а, следовательно, и расширения области применения комбайна, при существенной неравномерности нагрузки приводов, необходимо увеличить реализуемый двигателем критический момент и обеспечить необходимую тепловую мощность, что позволит преодолевать возникающие перегрузки. Исследования, показали, что перегрузка двигателей носит циклический характер, нагрев разных двигателей равномерный и находится в допустимых пределах, однако, реализуемый двигателем критический момент недостаточен. Это вызвано тем, что функционально-параметрические характеристики двигателя определялись без учета его работы совместно с преобразователем частоты (нарушение принципа параллельности проектирования). По ряду причин (в данной работе не рассматриваемых) преобразователь частоты имеет существенные потери напряжения (до 20% от номинального), что приводит к снижению реализуемого двигателем момента, так как М≡U².

Были изменены параметры асинхронного электродвигателя (электротехнической компоненты) – вместо номинального напряжения 1140 В двигатель был спроектирован на пониженное напряжение, что позволило скомпенсировать потери в преобразователе и кабельной линии и существенно поднять реализуемый момент и обеспечить необходимое тяговое усилие в широком диапазоне условий (что подтверждено опытной эксплуатацией) при сохранившейся существенной неравномерности нагрузки двигателей за счет их перегрузочной способности.

В принятии метода окончательного решения конфликта ключевую роль сыграли технико-экономические причины, такие как стоимость, время разработки и возможность реализации на работающем комбайне.

Рассмотренные выше способы разрешения конфликтов применимы для МО любой степени сложности и имеют свои достоинства и недостатки.

Первый способ, хотя и является малопривлекательным, может иметь достаточно широкую область применения, потому что, зачастую техническое задание формулируется в процессе проектирования. На практике этот способ часто применяется в виде проектирования не одного устройства для всех заданных параметров окружающей среды, а ряда устройств, что позволяет для каждого из типоразмеров устройства сузить область конфликта или полностью разрешить его.

Второй способ представляется наиболее продуктивным, так как при этом проектировщик решает суть проблемы. Но этот способ далеко не всегда применим из-за накладываемых функционально-параметрическими характеристиками ограничений на область решений конфликта. В примере с комбайном для тонких пластов, оптимальный диаметр колеса и шаг зубчатой реки не позволяли вписать их в мощность пласта, то есть решение конфликта лежит вне области допустимых функционально-параметрических характеристик.

Третий способ наиболее распространен и достаточно продуктивен, но, тем не менее, является компромиссом, так как вводит ограничения на взаимодействие с окружающей средой, снижает качество функционирования, но не «декларативно», как при первом способе (запрет на функционирование системы при определенных параметрах окружающей среды), а «адаптивно» (система сама определяет допустимую область своего функционирования).

Четвертый способ применим, если решение конфликта в области компонент другой физической природы по каким-либо причинам эффективнее. Это может быть вызвано существующими объективными ограничениями, определяемыми функционально-параметрическими характеристиками, или субъективными причинами, например, возможностями проектировщика, временем или стоимостью разработки.

Таким образом, сформулированные положения позволяют утверждать, что в настоящее время очистной комплекс нового поколения в целом и входящие в его состав машины отвечают достаточному условию мехатронности, являясь, таким образом, мехатронными объектами. Проектирование и эксплуатация таких объектов необходимо вести руководствуясь принципами мехатроники.

Сложная структура мехатронных систем, определяемая большим числом функциональных связей (не всегда очевидных) между объектами различной физической природы, делает принципиально невозможным получение приемлемого результата при проектирование компонент системы по отдельности. В этом случае проектирование невозможно без использования мехатронных подходов, параллельного проектирования с применением различных видов моделирования, в первую очередь, математического, как отдельных компонент, так и системы в целом для выявления конфликтующих параметров и их устранения, то есть синергетического объединения компонент.

Особенности мехатронных систем неизбежно приводят к изменению принципов не только их проектирования, но и эксплуатации. Как отмечалось выше, человек-оператор практически не в состоянии управлять машиной в реальном времени без снижения качества функционирования, поэтому количество управляющих сигналов, формируемых оператором должно быть минимальным, его функции должны сводиться к включению машины. Принятая в настоящее время система планово-предупредительных ремонтов также должна претерпеть изменения. Отыскание отказов в мехатронных системах сложная задача, и практически не может быть формализована. В связи с этим, при проектировании данных систем необходимо уделять серьезное внимание обеспечению функций самодиагностики, обнаружения неисправностей, прогнозу возникновения и развития аварийных ситуаций.

Мехатроника - молодая и динамично развивающаяся отрасль науки, применение ее принципов уже в настоящее время позволяет получить ощутимые результаты. Тем не менее, необходима выработка четких качественных и количественных критериев для различных МО, уточнение и общего принятия терминологии, а также пересмотра подходов при подготовке специалистов как для проектирования мехатронных систем, так и для их эксплуатации.

«Интеллектуализация» горных машин, передача функций автоматизации мехатронному объекту позволяет сделать следующий шаг к созданию малолюдных и безлюдных технологий угледобычи.

Проектирование горных машин нового технического уровня, являющихся мехатронными объектами, состоящими из компонент различной физической природы, требует от современного инженера-конструктора изменения подходов при проектировании, более широкого спектра знаний и навыков. В первую очередь это определяется многократным увеличением доли информационных и электронных компонент в структуре управления движением горных машин, в обеспечении их работоспособности. Проектирование и эксплуатация современных горных машин требуют подготовки определенным образом обученных специалистов. Данные дисциплины, наряду с «классическими» машиностроительными дисциплинами, должны стать базой для подготовки бакалавров и магистров в области проектирования и эксплуатации современных горных машин.

 

Список литературы:

1. Исии Т., Симояма И., Иноуэ Х. и др Мехатроника: Пер. с япон./. – М., Мир, 1988. – 318 с., ил.

2. Егоров О.Д., Подураев Ю.В. Конструирование мехатронных модулей: Учебник. Издание второе, исправленное и дополненное. – М.: Изд. «СТАНКИН», 2005.-368 с.: ил.

3. Шалобаев Е.В. К вопросу об определении мехатроники и иерархии мехатронных объектов// Датчики и системы. 2001. №7. С. 64-67.

4. Горбатов П.А., Косарев В.В., Стадник Н.И. Концептуальная характеристика сложных горных машин как мехатронных систем// Научные труды ДонНТУ, выпуск 104-Донецк: ДонНТУ, 2005.- С. 53-61.

5. Гетопанов В.Н., Коваль П.В., Рачек В.М. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. Анализ и выбор схем выемочных машин и оценка их производительности в САПР-ГМ. Учебное пособие. – М., изд. МГМ, 1981, с.90.

6. Конюх В.Л., Тайлаков О.В. Предпроектный анализ шахтных робототехнических систем// АН СССР, Новосибирское отделение, институт угля, 1991.-182 с.

7. Стадник Н.И., Сергеев А.В., Мезников А.В. Система управления и привод забойных скребковых конвейеров// Уголь Украины, выпуск 9 – Киев: 2003 – С. 38-41.

8. Трудношин В.А., Пивоваров Н.В. САПР. Математические модели технических объектов .- М.: Высшая школа, 1986.- 160 с.

9. Стадник Н.И., Сергеев А.В. Электрический привод подачи очистного комбайна для тонких пластов// Материалы международной конференции «Форум горняков – 2005», том 4. – Д.: НГУ, 2005. – С. 84-93.

10. Кондрахин В.П., Лысенко Н.М., Косарев А.В. и др. Математическая модель для определения нагрузок в опорно-направляющих устройствах и механизме перемещения очистного комбайна УКД300// Научные труды ДонНТУ, выпуск 99-Донецк: ДонНТУ, 2005.-С.111-120.