Адаптивна мехатронна система ударного руйнування гірських порід
| dc.contributor.advisor | Сліденко, Віктор Михайлович | |
| dc.contributor.author | Марчук, Любов Романівна | |
| dc.date.accessioned | 2024-08-23T11:36:00Z | |
| dc.date.available | 2024-08-23T11:36:00Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Marchuk L.R. Adaptive mechatronic system of impact destruction of rocks. - Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 141 - Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics (14 Electrical Engineering) - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2024. The idea of the work is to use a mechatronic adaptive control system for power and energy parameters of the impact device, in accordance with the variable characteristics of the working environment, to ensure effective rock destruction. The introduction presents the relevance of the work, which is to solve important problems faced by the mining industry, which plays a key role in the global transition to renewable energy sources. This transition is driving demand for non-ferrous metals such as lithium and cobalt, which are essential for renewable energy technologies. However, there is a gap between this growing demand and the current capabilities of processing technologies, which highlights the urgent need for more energy efficient and environmentally friendly mining methods. Focusing on improving the efficiency of equipment for the destruction of hard soil and rocks using electromechanical systems is a step towards reducing the environmental impact of mining technology, which enhances the achievement of sustainable development goals in the energy sector. The relevance of this work to the priority areas of industrial development is emphasized. The development of an adaptive mechatronic system for rock destruction meets the legislative priorities of Ukraine, in particular the Law "On Priority Areas of Innovative Activity" and the Law "On Priority Areas of Science and Technology Development". This work was carried out in accordance with the plan of the Department of Automation of Electrotechnical and Mechatronic Complexes based on the results of scientific research within the framework of the research work "Improvement of Electromechanical and Mechatronic Systems". The main provisions of the dissertation are presented, namely: the idea of the work, the purpose of the dissertation, the main tasks are formulated, the object of research and the subject of research are considered. The main research methods, including mathematical modeling and the use of various software products, are also characterized. The main scientific provisions and their novelty are described, and the practical significance of the results obtained is presented. The publications based on the scientific achievements of the dissertation and the approbation of the results of the work are presented. The structure of the dissertation is described, which consists of an introduction, five chapters with conclusions to these chapters, general conclusions, a list of references and twelve appendices. The work contains 49 figures and one table on 117 pages. It is also noted that part of the work was carried out within the framework of international academic mobility programs such as Erasmus+ and the DAAD Eastern Partnership project, which demonstrates the combination of national and international academic cooperation in the course of the dissertation research. The first chapter analyzes modern mechatronic systems, in particular, highlighting the consequences of the global transition to renewable energy sources and the associated sharp increase in demand for metal. The need to improve the processes of mining with the use of technologies of impact destruction of rocks is emphasized. A detailed analysis of the latest achievements in the field of electrohydraulic drives and devices for rock destruction is carried out. A comparative study of electric, hydraulic and pneumatic drives was conducted. The study includes an analysis of the specific advantages of electric drives. In addition, the application of electro-hydraulic drives and devices for the destruction of hard ground is revealed, with an emphasis on the operation of an excavator. The energy recovery system is considered on the example of a battery for an excavator hydraulic boom, which operates with an innovative combination of open and closed control systems. A model of an electro-hydraulic drive and excavator boom using a 4/3-way control valve is considered, and the principles of its operation are discussed. A remote-control system for construction and mining machines specially designed for excavators is considered, and its structural basis and application limitations are described in detail. A significant part of the chapter is devoted to the analysis of the structure and functions of the design of a directional impactor. This device has a unique design, which has a self-charging mechanism for cocking the striker and, accordingly, charging the pneumatic accumulator. The methodology of analytical research includes statistical calculations, modeling using nonlinear differential equations and a discrete-continuous mathematical model, which is necessary for the development of a mechatronic adaptive control system for rock destruction. The second chapter investigates the key parameters that affect the efficiency of the impactor and the energy characteristics of the pneumatic accumulator. The influence of gas compression ratio and polytropy index is studied. They were determined in the recommended ranges (e = 1.3...1.5, n = 1.3...1.6). Reducing the polytropic index makes it possible to increase efficiency, which is achieved by improving heat removal strategies. The considered interaction between thermodynamic conditions and energy parameters of a pneumatic accumulator requires a nuanced approach. Analyzing individual deterministic processes, such as isochoric or isothermal in isolation, is impractical due to their inherent variability under different operating conditions. Therefore, the probabilistic approach has become an effective method for calculating energy and assessing its impact on the pneumatic accumulator. It is noteworthy that the isochoric process exhibits zero energy change at different pressures, which is explained by its constant internal energy. In contrast, the adiabatic process shows a slower rate of energy increase with increasing pressure compared to the isothermal process. Statistical analysis based on the normal distribution of the probability of realization of the values of the polytropic index allowed us to obtain the necessary information about the dependence of the degree of gas compression and the energy of charging the pneumatic accumulator on the stroke, the process of gas compression in the chamber of the pneumatic accumulator. The working range of 1.4...1.5 values of the polytropic index was established, with an average value of 1.45 and a probability of 0.683 within the standard deviation of ±0.05. This means a practically achievable range for the gas compression ratio and charging energy of the pneumatic accumulator. A further study of the gas compression ratio using the beta probability distribution made it possible to obtain information on the charging energy of the pneumatic accumulator depending on the characteristic values of the probability of realization of the polytropic indicator. The extreme values of the gas compression ratio are in the range of 1.19...1.98, while the average value is 1.46 with a deviation of +0.53 and -0.26. This information makes it possible to determine the practical range of charging energy for a pneumatic accumulator. The study determined the operating range of the impact fracture system, taking into account the variable characteristics of the working environment. The maximum tangential component of the cutting resistance force of strong soil was calculated, and the dependence of the cutting resistance force on soil density and the angle of rotation of the bucket of the working equipment was established. This analysis allowed us to determine the working area of the impactor. In the third chapter, the energy interaction of the elements of the vibro-impact system was investigated using various key developments. First, a nonlinear model was created in the form of a differential equation that reflects the process of energy discharge of the pneumatic accumulator during the acceleration of the striker for impact. The model serves as the basis for understanding and predicting the operation of the mechatronic system for adaptive impact energy control. In addition, recognizing the crucial role of inertia in impact systems, the study applied the kinetostatic method to calculate the d'Alembert force of inertia. This calculation provides information about the acceleration profile of the striker in the system. To solve the nonlinear differential equation, a method of lowering the order of the differential equation by using phase coordinates was introduced. This approach has effectively simplified the solution of the nonlinear differential equation, with the establishment of a power law relationship between the striker velocity and its displacement. This relationship played an important role in the formation of a mechatronic control system for the process of adaptation of the impactor system to changing conditions of the working environment. A comprehensive discrete-continuous mathematical model has been developed that takes into account the inertial-wave interactions of the striker and the tool in the process of energy transfer to the rock mass. The model allows determining the contact load on the rock mass, taking into account its variable characteristics. The model includes two differential equations, one of which reflects the wave process of energy transfer in partial derivatives, and the second is an ordinary differential equation that reflects the contact interaction of the tooth - tool with the rock. The system of equations was solved using the numerical finite-difference method, which made it possible to establish the dependencies necessary to determine the structure and functions of the electromechanical system for adapting the energy of charging the pneumatic accumulator to the conditions of the technological environment. In the fourth chapter, we developed a simulation model of the functioning of the vibrating bucket impactor in Matlab. The calculations made it possible to establish the rational mode and parameters of the impactor's functioning, as well as to formulate requirements for a mechatronic system for adaptive control of the rock destruction process. The increase in the contact force between the impact tool and the soil massif was determined, which demonstrated the potential capabilities of the adaptive system. The fifth chapter presents the elements of the mechatronic system implementation with power supply in three variants. A block diagram of the system's functioning and a connection diagram of the functional blocks of adaptive pressure control in the pneumatic accumulator of the impactor are proposed. According to the variant of the developed schemes, the main electrical parameters of the electromagnetic valve were calculated and the frequency parameters of its functioning were determined. The efficiency of the electromagnetic system to ensure the required level of pressure in the pneumatic accumulator was evaluated and the duration of continuous operation of the adaptive system was determined. Thus, the information presented in this section reveals the behavior of the adaptive mechatronic control system of the impactor for different technological conditions and also forms the basis for potential improvement of productivity using the mechatronic control system. | |
| dc.format.extent | 198 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/68508 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | електромагніт | |
| dc.subject | електромагнітний клапан | |
| dc.subject | електроживлення | |
| dc.subject | мехатронна система | |
| dc.subject | напруга | |
| dc.subject | індукція | |
| dc.subject | ударний пристрій | |
| dc.subject | міцні ґрунти | |
| dc.subject | гірські породи | |
| dc.subject | математичне моделювання | |
| dc.subject | дискретно-безперервна математична модель | |
| dc.subject | імітаційне моделювання | |
| dc.subject | Matlab Simulink | |
| dc.subject | енергоефективність | |
| dc.subject | адаптація | |
| dc.subject | electromagnet | |
| dc.subject | solenoid valve | |
| dc.subject | power supply | |
| dc.subject | mechatronic system | |
| dc.subject | voltage | |
| dc.subject | induction | |
| dc.subject | impact device | |
| dc.subject | hard soils | |
| dc.subject | rocks | |
| dc.subject | mathematical modeling | |
| dc.subject | discrete-continuous mathematical model | |
| dc.subject | simulation modeling | |
| dc.subject | energy efficiency | |
| dc.subject | adaptation | |
| dc.subject.udc | [62-505:622.23.05]:681.5.017(043.3) | |
| dc.title | Адаптивна мехатронна система ударного руйнування гірських порід | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: