Automatic control method of cutting speed regulation of longitudinal roadheader considering temperature load of cutting .pdf Введение Основные функции проходческого комбайна включают резку угля и породы, их транспортировку [1, 2]. Усовершенствование таких комбайнов развивается в направлении автоматизации и беспилотного использования. Новый комбайн более совершенен, он автоматически определяет условия работы и неисправности, регулирует мощность двигателя, контролирует сечение резания и направления проходки тоннелей, т.е. развивается в направлении системы мехатроники. Традиционный проходческий комбайн соответствует многим требованиям, однако он имеет ручное управление. Известно, что качество и безопасность во многом зависят от человеческого фактора [3], поэтому следует повысить автоматизацию такого комбайна. Автоматическое управление является важным направлением развития всех механизмов, поэтому актуально создание беспилотного комбайна. В настоящее время комбайн не автоматизирован, поэтому форма проезжей части дорог зависит от человеческого фактора. Исследования по динамике и кинематике приводной машины недостаточны. Они в основном сосредоточены на влиянии угла поворота кантилевера и хода цилиндра на размер сечения. Механизм влияния скорости и ускорения кантилевера и цилиндра на формирование сечения изучен довольно поверхностно [4]. Кроме того, исследования механических характеристик приводной машины не являются всесторонними, изучение взаимосвязи силы резания и скорости режущей головки не носит системного характера. Наиболее часто используемая гидравлическая система ограничена ручным управлением. Исследования по теории управления скоростью резания продольного проходческого комбайна с учетом температурной нагрузки режущей части очень малочисленны. Разработка способа автоматического регулирования скорости резания с учетом температурной нагрузки В данной работе приводятся результаты разработки способа автоматического управления регулировкой скорости резания продольной оси проходческого комбайна при учете температурной нагрузки. Такая нагрузка режущей части тесно связана с рядом физических факторов, прежде всего, силой, вызываемой отсутствием возможностей свободно расширяться и сжиматься при изменении температуры. Процесс разработки способа автоматического регулирования скорости резания с учетом температурной нагрузки режущей части проходческого комбайна показан на рис. 1. Рис. 1. Последовательность разработки способа автоматического регулирования скорости резания с учетом температурной нагрузки режущей части Содержание исследования: 1. Анализируется режущий механизм и рабочий процесс, строится математическая модель режущей головки, устанавливается геометрическая зависимость между центральной пространственной координатой режущей головки и длиной масляного цилиндра и углом поворота кантилевера, планируется траектория резания стандартной формы режущего сечения. 2. Температурная нагрузка режущей головки рассчитывается как одного из объектов управления методом автоматического управления. 3. Разрабатывается автоматический регулятор скорости режущего механизма и строится математическая модель системы управления; в Simulink установлена модель PID-управления. Построение математической модели режущей части Режущая часть - это исполнительный механизм, поэтому режущая способность, форма и другие факторы рабочего механизма оказывают большое влияние на эффективность [5, 6]. Гидравлический привод может предоставлять широкий диапазон регулирования скорости, прост в управлении, но перегрузочная способность гидравлической системы очень мала. Адаптивность и надежность в условиях движения с большим изменением твердости рабочего объекта (угля и породы) низкие, поэтому рабочий механизм вертикального вала комбайна приводится в движение, в основном, двигателем. Режущая часть расположена на переднем крае комбайна, который обычно состоит из кантилевера, режущей головки, двигателя, муфты, редуктора и т.д. Кантилевер в некоторых случаях имеет механизм, который позволяет ему расширяться в продольном направлении. В процессе резания головка войдет в секцию туннеля только под весом самой машины, при этом головка и кантилевер соединены муфтой. Вращение головки с консольной осью приводится в движение двигателем, который соединен с редуктором и муфтой. В кантилевере установлены двигатель, редуктор и ускоритель, что позволяет сделать конструкцию рабочего механизма компактной. Из литературных источников следует, что головка качается в вертикальной и горизонтальной плоскостях при резании, поэтому необходимо иметь представление о движении режущей головки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, для чего необходимо построить ее математическую модель (рис. 2). На рисунке - шарнир между подъемным цилиндром и рамой, - шарнир между подъемным цилиндром и консолью, - положение проекции центра режущей головки, - (длина подъемного цилиндра), (ось кантилевера) находится в горизонтальной плоскости, принят за 0, - проекция осевой линии поворотного стола в вертикальной плоскости, а - вертикальный центр вращения кантилевера, - проекция осевой линии поворотного стола в вертикальной плоскости, а - центр вращения кантилевера в вертикальной плоскости, т.е. . (1) Рис. 2. Схема вертикального качания режущей головки Это определяется установкой и размерами рабочих частей и не связано с изменением угла наклона кантилевера относительно точки . и меняются с варьированием . Консольный угол режущей головки равен при ее нахождении на самом высоком уровне, на уровне пола и под поверхностью соответственно, а высота над землей в этих трех случаях равна соответственно. - длина кантилевера, - высота над землей, когда ось кантилевера находится в горизонтальном положении. Математическая модель может быть записана как ; (2) ; (3) . (4) При имеет место выражение (2), при - выражение (3). Приведенное выше представляет собой часть математической модели режущей части при вертикальном качании. Для обеспечения надежности автоматического управления и математической модели горизонтального тренда диаграмма анализа горизонтальных колебаний приведена на рис. 3. Представлена принципиальная схема горизонтальных качаний кантилевера, исходящая из того, что осевая линия проезжей части совпадает с . - горизонтальный центр вращения; - точка проекции вертикального центра вращения в горизонтальной плоскости; - горизонтальное расстояние между и ; - длина проецируемой в горизонтальную плоскость оси режущей головки; - угол ее наклона в вертикальной плоскости; - линейная зависимость; - ширина проезжей части; - угол между осевой линией проезжей части и консолью, когда режущая головка находится в некотором среднем положении. Расстояние между осевой линией головки и осевой линией проезжей части может быть записано как , и , которые соответственно представляют собой длину левого и правого поворотных цилиндров. Если угол поворота кантилевера влево в горизонтальной плоскости проезжей части равен , то . (5) Рис. 3. Диаграмма анализа горизонтальных колебаний Положение горизонтального поворотного механизма может быть выражено длиной двух поворотных цилиндров: ; (6) . (7) Расчет температурной нагрузки режущей части Согласно эмпирической формуле [7, 8] при трении подшипника, выведенной Пальмгреном (Palmgren), выражение для расчета генерируемой теплоты запишем так: , (8) где - тепло трения, генерируемое элементом качения под внешней нагрузкой; - генерируемый внешней нагрузкой момент трения; - скорость вращения подшипника. Если приведенное выше выражение проинтегрировать, то получим . (9) В этом выражении - генерируемое элементом качения под действием внешней нагрузки тепло; - коэффициент трения между элементом качения и внутренним и наружным кольцами; - относительная скорость их скольжения; - контактная нагрузка между ними. Приведенные величины (8) и (9) представляют собой тепло трения. В производственном процессе часто добавляют смазочное масло, поэтому в данном случае рассчитываются теплота трения, генерируемая вращательным скольжением режущей головки, и теплота трения, генерируемая вязким трением смазки. Скольжение, связанное с осевым вращением тела качения вдоль внутренней и внешней дорожек качения, называется спиновым. Выражение для расчета генерируемой спиновым скольжением теплоты таково: . (10) Здесь - генерируемая вращательным скольжением тела качения теплота трения; - генерируемый при этом момент трения. Выбор смазочного масла (консистентной смазки) и способа смазки оказывает важное влияние на температурное поле подшипника. Из-за несжимаемости жидкости образующаяся между роликом и внутренним и наружным кольцами масленая пленка имеет функцию буферизации и поглощения вибрации, что может снизить коэффициент трения: , (11) где - генерируемая вязким трением со смазкой теплота; - генерируемый этим трением крутящий момент. Таким образом, вычисляется тепло, выделяемое при вязком трении на режущей головке. В процессе расчета добавляется коэффициент теплоты псевдоожижения. Коэффициент конвективной теплоотдачи является важным параметром при расчете температурной нагрузки, но его трудно рассчитать. Обычно он определяется приближенным алгоритмом и эмпирической формулой, которая тесно связана с характеристическими параметрами консистентной смазки и смазочного масла, размерами, вращением и подшипниками [9]. Используем метод оценки коэффициента в процессе теплопередачи подшипника качения , (12) где - теплопроводность материала; - внутренний диаметр подшипника; - индекс смазки; - число Рейнольдса; - число Прандтля масла. Коэффициент конвективной теплопередачи может быть трех типов: естественной теплопередачи между цилиндрической поверхностью седла подшипника и жидкостью, принудительной теплопередачи между наружной поверхностью вала и смазочным маслом и принудительной теплопередачи между смазочным маслом и подшипником. Такой способ расчета является более точным и оптимизирует метод Харриса [10]. Коэффициент конвективной теплопередачи может быть найден как . (13) Здесь - теплопроводность; - кинематическая вязкость смазки; - зазор между внутренним кольцом и цилиндрической поверхностью сепаратора; - радиус внутреннего кольца сепаратора при расчете коэффициента конвективной теплопередачи жидкости между внутренним кольцом и цилиндрической поверхностью сепаратора (при расчете коэффициента конвективной теплопередачи жидкости между наружным кольцом и цилиндрической поверхностью сепаратора - радиус дорожки качения наружного кольца); - угловая скорость наружного кольца. С помощью этой формулы можно получить коэффициент температурной нагрузки режущей головки . (14) Величина задает наружный диаметр подшипника. Коэффициент теплопередачи принудительной конвекции между внешней поверхностью режущей головки и смазочным маслом имеет вид , (15) где - теплопроводность материала; - внутренний диаметр подшипника. Интегрируя (14) и (15), выражение для расчета температурной нагрузки запишем следующим образом: , (16) где - диаметр элемента качения; - средний диаметр; - частота вращения подшипника; - кинематическая вязкость смазки; - максимальный объем подшипника. Температурная нагрузка режущей головки рассчитывается по приведенной выше формуле и сопоставляется с математической моделью режущей головки как с объектом автоматического управления. Установки нечеткого контроллера Используя вышеприведенную конструкцию как объект управления, в контроллере необходимо собрать некоторый набор параметров проходческого комбайна (таблица). В соответствии с приведенными в таблице характеристиками устанавливается соответствующий регулятор скорости - PID-контроллер, который состоит из пропорционального, интегрального и дифференциального блоков для управления контролируемым объектом через их линейную комбинацию. Благодаря своей простоте, высокой надежности, хорошей адаптивности он наиболее широко используется в машиностроении [11-13]. Контроллер сравнивает ток нагрузки и номинальный ток двигателя режущего устройства, а затем принимает разницу в качестве нового входного сигнала. Через линейную комбинацию пропорционального, интегрального и дифференциального блоков контролируется входной ток, управляющий открытием дроссельной заслонки электрогидравлического клапана, чтобы регулировать скорость подачи горизонтального вращающегося масляного цилиндра. Через PID-контроль ток нагрузки всегда может поддерживаться вблизи номинального значения (отклонение не более 5%), что позволяет реализовать управление скоростью режущего механизма. Соотношение между входом и выходом PID-сигнала имеет вид , (17) Некоторые параметры дорожного комбайна Номер Наименование Номер Наименование 1 Режущий вращающийся цилиндр - диаметр штока, мм 11 Общий объем двух камер от электрогидравлического пропорционального клапана до вращающегося гидроцилиндра, мм3 2 Режущий вращающийся цилиндр - внутренний диаметр цилиндра, мм 12 Режущий подъемный цилиндр - внутренний диаметр цилиндра, мм 3 Режущий вращающийся цилиндр - наружный диаметр цилиндра, мм 13 Режущий подъемный цилиндр - наружный диаметр цилиндра, мм 4 Отрезок качания цилиндра - ход, мм 14 Отрезок качания цилиндра - ход, мм 5 Диапазон горизонтальных углов поворота резки, град 15 Диапазон горизонтальных углов поворота резки, град 6 Левое удлинение режущей головки, мм 16 Длина режущего рычага L, мм 7 Общий вес, т 17 Расстояние между точкой шарнира режущего рычага и центром поворота e, мм 8 Масса поворотного стола, кг 18 Масса режущего рычага, кг 9 Качество одиночного роторного гидроцилиндра 19 Качество одиночного подъемного гидроцилиндра 10 Общий объем двух камер от электрогидравлического пропорционального клапана до вращающегося гидроцилиндра, л 20 Расстояние от электрогидравлического пропорционального клапана до двух камер подъемного гидроцилиндра, мм где - выходной сигнал регулятора; - сигнал отклонения, представляющий собой разность между заданной и выходной величинами; , , - коэффициент пропорциональности, интегральная и дифференциальная постоянные времени соответственно [14]. Тогда функция передачи температуры режущей части может быть выражена как . (18) Здесь - передаточная функция; - интегральная и - дифференциальная постоянные времени. В то же время контролируется передаточная способность температурной нагрузки. Увеличение коэффициента пропорции повысит скорость отклика системы, что поможет уменьшить или устранить ошибку в принципе. Если коэффициент слишком велик, то система будет производить перерегулирование и колебания, но это не может продлить время регулирования и разрушить стабильность системы. Если слишком мал, то система будет двигаться медленно. Простое пропорциональное управление подходит для небольшого возмущения, небольшого запаздывания, небольшого изменения нагрузки и определенной остаточной ошибки. Когда система стабильна, она может уменьшить, но не устранить ошибку. Так как для настройки PID-параметров требуется конкретная платформа управления, то следует использовать Simulink toolbox в программном обеспечении MATLAB для сборки и упаковки субмодулей [15]. В соответствии с математическими моделями горизонтального движения качания режущей головки и основных компонентов устанавливаются электрогидравлический пропорциональный направленный клапан-субмодуль, субмодуль горизонтального цилиндра, хода цилиндра и консольного горизонтального угла и субмодуль скорости [16]. Основные параметры расчета температурной нагрузки подставляются в передаточную функцию регулятора для численного расчета, а PID-параметры корректируются в среде Simulink с использованием метода устойчивых границ. Имитационный тест Подготовка экспериментальной среды Платформа отладки настроена для эксперимента. Использовано программное обеспечение Sw7dsc-gppw-c. Аппаратные средства соединяются последовательно от простого к сложному. Лабораторная отладочная платформа показана на рис. 4. Датчик угла горизонтального поворота стола выводит четыре линии, соответствующие двум выходам положительного и отрицательного полюсов источника питания и проводов заземления. Датчик закреплен на спиральном подвижном кронштейне, а чувствительный зуб шириной 5 мм заменен приклеенным к стальной линейке штифтом, расстояние между штифтами - 5 мм [17]. Квази-штифт является чувствительной поверхностью датчика угла поворота, а актуальное расстояние составляет 0-2 мм. При вращении ручки датчик перемещается вверх и вниз относительно штифта и выводит прямоугольный импульсный сигнал для имитации количества чувствительных зубьев, чтобы рассчитать горизонтальное перемещение. Процесс движения режущей головки моделируется путем обнаружения индукционной стойки и вызова соответствующей импульсной команды (рис. 5). Выход модуля FX2N-2DA подключен к пропорциональному усилителю, выход которого соединен с чувствительным к нагрузке клапанным комплектом [18]. Электрометр имитирует выходное напряжение датчика тока 1-SV двигателя режущего устройства. Рис. 4. Экспериментальная среда Рис. 5. Датчик качания режущей головки Амперметр контролирует ток катушки, что соответствует открытию порта электрогидравлического пропорционального клапана, отражает скорость подачи цилиндра и определяет скорость качания режущего рычага. Сравниваемые параметры эксперимента Для демонстрации различия между методами точность воспринимается как скорость качания режущей головки. Рабочая скорость режущей части устанавливается как «низкая скорость - высокая скорость - низкая скорость», чтобы обеспечить стабильное изменение температуры [19]. Для сравнения использовались метод автоматического управления и два традиционных: конструируемый, традиционный № 1 (метод нечеткого управления) и традиционный № 2 (метод пассивного управления). Было проведено три эксперимента. Анализ экспериментальных результатов Из результатов первого эксперимента (рис. 6) видно, что процесс автоматического управления конструируемым методом относительно стабилен. Традиционный метод № 1 имеет длительное время цикла управления, при этом процесс управления относительно флуктуирующий, а потери компонентов режущей части слишком велики. В традиционном методе № 2 скорость регулируется слишком быстро и отсутствует буферное время, что может вызвать перегрев режущей головки. В первом эксперименте конструируемый метод дает наилучший эффект. Из результатов второго эксперимента (рис. 7) видно, что цикл управления скоростью был частично отрегулирован. Из рисунка следует, что контрольный период конструируемого метода относительно стабилен при отсутствии флуктуаций. Изображения двух других методов сильно колеблются, их цикл хаотичен, а процесс ускорения и замедления неравномерен. Отметим, что конструируемый метод обладает наиболее сильной управляющей способностью. Рис. 6. Результаты первого эксперимента Рис. 7. Результаты второго эксперимента Как видно из результатов третьего эксперимента (рис. 8), увеличилась максимальная скорость. Конструируемый метод имеет более короткий период времени, чем два других традиционных. Процессы ускорения и замедления относительно стабильны, нет тенденции резкого увеличения или резкого уменьшения. Объединив результаты этого эксперимента с результатами двух предыдущих, несложно видеть, что конструируемый метод дает наилучший эффект. Поскольку процесс увеличения и замедления является стабильным, то температура режущей части также стабильна, и потери не будут вызваны перегревом. Рис. 8. Результаты третьего эксперимента Заключение Разработан метод автоматического регулирования скорости резания продольно-осевого проходческого комбайна. На основе ручного и автоматического управления предложен новый метод - управление регулировкой скорости. Сконструирована автоматическая платформа, способная обеспечить условия, при которых режущая головка не выходит за границу проезжей части. Если геологические условия проезжей части не являются сложными, то автоматическая резка любого участка может быть выполнена по заданному пути. Результаты данной работы позволяют обеспечить проходческий комбайн регулятором скорости при работе в условиях сложной и изменчивой среды, определить оптимальный путь, удовлетворяющий технологии проходки тоннелей, контролировать температуру режущей части. Основные результаты проведенного исследования: 1. Спроектирована математическая модель режущей головки. На основе анализа базовой конструкции проходческого комбайна, принципа работы режущего механизма и траектории пространственного перемещения режущей головки создана теоретическая модель, а траектория процесса резания спланирована в соответствии со стандартной формой режущего сечения. 2. Разработана методика расчета температурной нагрузки режущей головки. Проанализирован принцип управления резанием в традиционном ручном управлении дорожным комбайном и на его основе предлагается расчетная схема с температурной нагрузкой. Устанавливается пространственная передаточная функция регулирования температурой режущей головки. 3. Разработан контроллер режущего механизма. Представлена схема управления автоматическим регулированием скорости резания, построена математическая модель регулятора и его модель PID-управления в Simulink. Вычислены и проанализированы текущий шаговый сигнал, шаговый и синусоидальный сигналы нагрузки. Полученные результаты показывают, что контроллер обладает хорошими характеристиками (динамическими и управления), что позволяет исключить влияние изменения температурной нагрузки.

Скачать электронную версию публикации