Адаптивна мехатронна система ударного руйнування гірських порід
Вантажиться...
Дата
2024
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Марчук Л.Р. Адаптивна мехатронна система ударного руйнування гірських порід. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка (14 Електрична інженерія) - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського”, Київ, 2024.
Ідея роботи полягає у використанні мехатронної адаптивної системи керування силовими та енергетичними параметрами ударного пристрою, у відповідності до змінних характеристик робочого середовища, для забезпечення ефективного руйнування гірських порід. У вступі представлена актуальність роботи, яка полягає у вирішенні важливих проблем, з якими стикається гірничодобувна промисловість, що відіграє ключову роль у глобальному переході на відновлювані джерела енергії. Цей перехід сприяє зростанню попиту на кольорові метали, такі як літій і кобальт, необхідні для технологій відновлюваної енергетики. Однак існує розрив між цим зростаючим попитом і поточними можливостями технологій переробки, що підкреслює нагальну потребу в більш енергоефективних та екологічно чистих методах видобутку. Зосередження уваги на підвищенні ефективності обладнання для руйнування міцного ґрунту та гірських порід з застосуванням електромеханічних систем є кроком до зменшення впливу технології видобутку корисних копалин на навколишнє середовище, що посилює досягнення цілей сталого розвитку в енергетичному секторі. Підкреслено відповідність даної роботи пріоритетним напрямкам розвитку промисловості. Розробка адаптивної мехатронної системи для руйнування гірських порід відповідає законодавчим пріоритетам України, зокрема Закону “Про пріоритетні напрями інноваційної діяльності” та Закону “Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки”. Дана робота виконана відповідно до плану кафедри автоматизації електротехнічних та мехатронних комплексів за результатами наукових досліджень в рамках пошукової науково-дослідної роботи “Удосконалення електромеханічних та мехатронних систем”. Наведені основні положення дисертації, а саме: ідея роботи, мета дисертаційної роботи, сформульовані основні завдання, розглянуто об’єкт дослідження та предмет дослідження. Також охарактеризовано основні методи дослідження, що включають математичне моделювання та використання різноманітних програмних продуктів. Описані основні наукові положення, їх новизна та наведено практичне значення одержаних результатів. Ознайомлено з публікаціями на основі наукових досягнень дисертації та з апробацією результатів роботи. Описана структура дисертації, яка складається зі вступу, п’яти розділів з висновками до даних розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та дванадцяти додатків. Робота містить 49 рисунків і одну таблицю на 117 сторінках. Також зазначено, що частина роботи була виконана в рамках програм міжнародної академічної мобільності, таких як Erasmus+ та проєкт DAAD Східне партнерство, що демонструє поєднання національної та міжнародної академічної співпраці під час виконання дисертаційного дослідження. У першому розділі проведено аналіз сучасних мехатронних систем, зокрема, з висвітленням наслідків глобального переходу до відновлюваних джерел енергії та пов'язаного з цим різкого зростання попиту на метал. Підкреслюється необхідність вдосконалення процесів видобутку корисних копалин з застосуванням технологій ударного руйнування гірських порід. Проведено детальний аналіз останніх досягнень в області електрогідравлічних приводів та пристроїв для руйнування гірських порід. Проведено порівняльне дослідження електричних, гідравлічних і пневматичних приводів. Дослідження включає аналіз конкретних переваг електричних приводів. Крім того, розкрито застосування електрогідравлічних приводів та пристроїв для руйнування міцного ґрунту, з акцентом на роботу екскаватора. Розглянуто систему рекуперації енергії на прикладі акумулятору для гідравлічної стріли екскаватора, яка працює з інноваційною комбінацією розімкнутої та замкнутої систем керування. Розглянуто модель електрогідравлічного приводу і стріли екскаватора, що використовує 4/3-ходовий регулювальний клапан, та розглянуто принципи його роботи. Розглянута система дистанційного керування для будівельних та гірничих машин, спеціально розроблена для роботи екскаваторів, детально описується її структурна основа та обмеження застосування. Значна частина розділу присвячена аналізу структури та функцій конструкції ударного пристрою направленої дії. Цей пристрій має унікальну конструкцію, яка має самозарядний механізм зведення бойка і, відповідно, зарядки пневмоакумулятора. Методика аналітичних досліджень включає статистичні розрахунки, моделювання з застосуванням нелінійних диференціальних рівнянь та дискретно-неперервної математичної моделі, що необхідно для розробки мехатронної адаптивної системи керування процесом руйнування гірських порід. У другому розділі досліджено ключові параметри, що впливають на ефективність ударного пристрою та енергетичні характеристики пневматичного акумулятора. Досліджено вплив показників стиснення газу та показник політропи. Визначено їх у рекомендованих діапазонах (e = 1,3...1,5, n = 1,3...1,6). Зменшення показника політропи дає можливість підвищити ефективність, що досягається за рахунок покращення стратегій відведення тепла. Розглянута взаємодія між термодинамічними умовами та енергетичними параметрами пневмоакумулятора вимагає нюансованого підходу. Аналіз окремих детермінованих процесів, таких як ізохорний або ізотермічний ізольовано, виявляється непрактичним через властиву їм мінливість за різних умов експлуатації. Тому імовірнісний підхід став ефективним методом для розрахунку енергії та оцінки її впливу на пневмоакумулятор. Примітно, що ізохорний процес демонструє нульову зміну енергії при різних тисках, що пояснюється його постійною внутрішньою енергією. На противагу цьому, адіабатичний процес демонструє повільнішу швидкість збільшення енергії при підвищенні тиску порівняно з ізотермічним процесом. Статистичний аналіз за нормальним розподілом ймовірностей реалізації значень показника політропи дозволив отримати необхідну інформацію про залежність ступеня стиснення газу і енергії зарядки пневмоакумулятора від ходу, процесу стиснення газу в камері пневмоакумулятора. Встановлено робочий діапазон 1,4...1,5 значень показника політропи, із середнім значенням 1,45 і ймовірністю 0,683 в межах стандартного відхилення ±0,05. Це означає практично досяжний діапазон для ступеня стиснення газу та енергії заряджання пневмоакумулятора. Подальше дослідження ступеня стиснення газу з використанням бета-розподілу ймовірностей дозволило отримати інформацію про енергію зарядки пневмоакумулятора в залежності від характерних значень ймовірності реалізації показника політропи. Крайні значення ступеня стиснення газу знаходяться в діапазоні 1,19...1,98, тоді як середнє значення становить 1,46 з відхиленням +0,53 та -0,26. Ця інформація дозволяє визначити практичний діапазон енергії зарядки пневмоакумулятора. В ході дослідження було визначено робочий діапазон функціонування системи ударного руйнування з урахуванням змінних характеристик робочого середовища. Розраховано максимальну тангенціальну складову сили опору різанню міцного ґрунту, а також встановлено залежність сили опору різанню від щільності ґрунту та кута повороту ковша робочого обладнання. Цей аналіз дозволив встановити робочу зону спрацювання ударного пристрою. У третьому розділі досліджено енергетичну взаємодію елементів віброударної системи за допомогою різних ключових розробок. По-перше, було створено нелінійну модель у формі диференціального рівняння, що відображає процес енергорозрядки пневмоакумулятора при розгоні бойка на удар. Модель слугує основою для розуміння і прогнозування роботи мехатронної системи адаптивного керування енергією удару. Крім того, визнаючи вирішальну роль інерції в ударних системах, в дослідженні було застосовано кінетостатичний метод для розрахунку сили інерції д'Аламбера. Цей розрахунок дає інформацію про профіль прискорення бойка в системі. Для розв’язку нелінійного диференціального рівняння запроваджено метод пониження порядку диференціального рівняння застосуванням фазових координат. Такий підхід ефективно спростив розв’язок нелінійного диференціального рівняння, з встановленням степеневої залежності між швидкістю бойка та його переміщенням. Цей зв'язок відіграв важливу роль у формуванню мехатронної системи керування процесом адаптації ударної системи до змінних умов робочого середовища. Розроблена комплексна дискретно-безперервна математична модель, яка враховує інерційно-хвильові взаємодії бойка та інструмента в процесі передачі енергії гірському масиву. Модель дозволяє визначити контактне навантаження на гірський масив, з урахуванням його змінних характеристик. Модель включає два диференціальні рівняння, одне з яких в частинних похідних, відображає хвильовий процес передачі енергії, а друге - звичайне диференціальне рівняння, що відображає контактну взаємодію зубця - інструмента з гірською породою. Розв’язок системи рівнянь виконаний за допомогою числового скінченно-різницевого методу, що дозволило встановити залежності необхідні для визначення структури і функцій електромеханічної системи адаптації енергії зарядки пневмоакумулятора до умов технологічного середовища. У четвертому розділі розроблена імітаційна модель функціонування ударного пристрою віброковша в системі Matlab. Розрахунки дозволили встановити раціональний режим та параметри функціонування ударного пристрою, а також сформувати вимоги до мехатронної системи адаптивного керування процесом руйнування гірських порід. Визначено посилення контактної сили між ударним інструментом і ґрунтовим масивом, що продемонструвало потенціальні можливості адаптивної системи. У п'ятому розділі наведено елементи реалізації мехатронної системи з електроживленням за трьома варіантами. Запропонована блок-схема функціонування системи та схема зв’язків функціональних блоків адаптивного керуванням тиском в пневмоакумуляторі ударного пристрою. За варіантом розроблених схем виконані розрахунки основних електротехнічних параметрів електромагнітного клапана та встановлені частотні параметри його функціонування. Проведена оцінка ефективності функціонування електромагнітної системи з забезпечення необхідного рівня тиску в пневмоакумуляторі та визначена тривалість безперервної роботи адаптивної системи. Отже, наведена в розділі інформація розкриває поведінку адаптивної мехатронної системи керування ударним пристроєм для різних технологічних умов, а також складає основу до потенційного покращення продуктивності за допомогою мехатронної системи керування.
Опис
Ключові слова
електромагніт, електромагнітний клапан, електроживлення, мехатронна система, напруга, індукція, ударний пристрій, міцні ґрунти, гірські породи, математичне моделювання, дискретно-безперервна математична модель, імітаційне моделювання, Matlab Simulink, енергоефективність, адаптація, electromagnet, solenoid valve, power supply, mechatronic system, voltage, induction, impact device, hard soils, rocks, mathematical modeling, discrete-continuous mathematical model, simulation modeling, energy efficiency, adaptation
Бібліографічний опис
Марчук, Л. Р. Адаптивна мехатронна система ударного руйнування гірських порід : дис. ... д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Марчук Любов Романівна. - Київ, 2024. - 198 с.