X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

В соответствии с проведенным анализом использование в лавах угольных пластов в настоящее время достигло максимума. Стоимость и громоздкость оборудования заставляет сомневаться в их эффективности и рассматривать текущее состояние как стремления некоторой технологической системы совершенствоваться за счет роста его параметров (длина лавы, габариты и силовые параметры крепи). Сомнения правильности этого направления и в закрытии шахт в странах, где экстенсивный рост невозможен (Германия, Англия). Не далек этот день и для Франции. Но в странах, где изначально имелись иные не монополизированные технологии рост шахт замедлился, но не прекратился. Так в США в последнее время вновь актуализирован вопрос о возобновлении работ шахт, и как показывает анализ это возможно на основе новых камерных технологий, где они имелись и ранее. Однако создание новой техники возможно при наличии наработанного инструментария проектирования и моделирования, который апробируется на известных системах и позволяет вводить новые элементы. В данном случае это технологии проведения инженерного анализа с помощью пакета ADAMS. Но эти технологии открывают широкие возможности использования в забоях горных роботов. В этой работе сделана попытка проектирования таких устройств.

Сразу же оговоримся. Считаем, принципиальным моментом, что робототехнику и скважинные технологии необходимо развивать в рамках одной технологии, и при этом основные выработки для технологий должны отвечать принципам непосредственного присутсвия человека , а сами технологии должны обеспечивать безопасность этого процесса. При этом должны развиваться и социальные вопросы взаимной адаптации человека и машин.

Почему отдаем предпочтение ADAMS

Выполненный анализ конструктивных схем механизированных крепей и манипуляторов выявил в них особую конструкцию связывающую для управляемого смешения перекрытие, ограждение и основание. Движение этих частей между собой осуществляется по определенным законам, которые следует задать и оптимизировать. в частности граничными условиями их для крепи является обеспечение параллельного смещения козырька относительно забоя, обеспечение, при этом, безопасное перемещения оператора внутри крепи, и наконец соблюдение установленных геометрических и силовых параметров. С таким задачами, как показывает опыт проектирования, справляется пакет ADAMS. Полученные на ADAMS модели могут иметь универсальный характер для широкого диапазона геометрических и силовых параметров, а также видоизменяться допуская встраивание новых элементов. При этом симуляция движения механизмов позволяет установить происходящие под влиянием этих параметров изменения.

2. Общие принципы создания моделей

Модели механизмов в ADAMS конструируются из отдельных частей (Parts). Первичные объекты – примитивы (линии, цилиндры, параллелепипеды, пружины и др.)рассматривается как физический объект, который может иметь или не иметь массу, моменты инерции, скорость и так далее. Они определяются геометрическими характеристиками и связями между собой. Все характеристики можно задавать при создании или изменять в процессе работы. Часть может состоять из нескольких, или из одного объекта, или вообще быть «пустой». Например, такая часть, как цилиндр, состоит как минимум из следующих объектов: самого цилиндра как геометрической фигуры, маркера, который определяет его положение и ориентацию в пространстве, маркера, определяющего центр масс цилиндра. Кроме того, цилиндр можно «срастить» с кубом, который имеет свои два маркера. Таким образом, получится одна часть, состоящая из 5 элементов: куба, цилиндра, двух определяющих маркеров и маркера центра масс. В ADAMS существуют следующие основные типы первичных объектов:

- твердые тела, Объекты, которые имеют массу и моменты инерции - примитивы. Тела, которые не имеют массы и характеризуются только геометрическими размерами (линии, дуги, сплайны и др.)

- точечные массы. Такие тела не имеют размеров, моментов инерции и характеризуются только своей массой;

- гибкие тела. Они имеют массу и моменты инерции и могут изгибаться под действием внешних сил;

- объект «земля», или «фундамент», который присутствует в любой модели.

Фундамент – единственная часть модели, которая все время остается неподвижной. Она создается автоматически в начале работы. Фундамент можно рассматривать как глобальную систему координат с началом в точке (0,0,0). Фундамент не может двигаться во время тестирования и оптимизации, но на этапе создания модели его можно передвигать по экрану для лучшего обзора моделируемой конструкции. Используемые первичные объекты можно расположить «на земле», т.е. связать с фундаментом. В дальнейшем они будут рассматриваться как части фундамента и примут все его свойства. Хотя сам фундамент является неподвижным, связанные с ним части можно передвигать во время построения модели. Для этого нужно изменить координаты определяющего маркера конструкции.

3. Проектирование модели в ADAMS

Adams - позволяет проектировать механизмы во взаимодействии их узлов и деталей и если рассмотреть одну деталь то можно исследовать влияние на неё соседних. Т. е. этот пакет можно отнести к средствам макромоделирования. Плоскую схему можно создать на основе линий, которым придается точечная масса. Но проще это выполнить используя простые примитивы. Открыв Adams (меню Adams View ) и выбрав нужную систему единиц расчёта, Create a new model нажмём ОК. Для построения часто используется элемент Link - соединительное звено. Для создания соединительного звена:на палитре инструментов выбрать его значок на панели установок определить статус (например grund или new part);указать, если необходимо значения длины ширины и толщины, отметив соответствующие флажки и задав значения; указать курсором место, где должно находиться звено, нажать левую кнопку и, не отпуская кнопки, двигать мышь в направлении длины до тех пор, пока звено не достигнет нужных размеров. Для сохранения модели таким способом необходимо в верхнем меню выбрать команды File/Save Data Base или File/Save Data Base As.

Секция роботизированной крепи на базе крепи М - 130, рисунок 1 и 2. Здесь для улучшения конструкции добавлен лемнискатный механизс. Область четырехзвенника смещена к перекрытию, рисунок2 . Это, при обеспечении управляемого смешения перекрытия, ограждения и опоры завальной гидростойки позволит упростить передвижку опор основания секции, повысить мобильность секции при передвижении. Обеспечивает возможность преодоления сложной гипсометрии пласта, а также его разрывных нарушений. Для этого имеются вспомогательные боковые гидроцилиндры встроенные в верхняки и ограждения для корректировки положения секции при передвижении.

Придание крепи роботизированных функций не возможно без придания им универсальных свойств в выполнении большего количества производственных операций, повышения маневренности секций и большей гибкости гидравоических и электрогидравлических систем. Следует существенно расширить возможности программирования движений секции и обеспечить режимы работы с обратной связью с горным массивом. В тоже время эти функции могут быть проще синтезированы при улучшении конструктивных схем с гидростойками, имеющими отдельные опоры. Такие крепи применялись в СССР на базе комплексов КМ - 130.

Рисунок 1- Две секция крепи М-130: 1,2, 3 – соответственно перекрытие, козырек и ограждение; 4, 7 – задняя и передняя гидростойка; 5, 6 – продольный и поперечный гидродомкрат

4. Моделирование робототехники для очистных и проходческих забоев

В робототехнике широко применяются информационные технологии: при проектировании, управлении и для система интеллектуального анализа на основе нейросетей [1] – [5]. Одним из основных требований для обеспечения эффективного управления является соответствие конструктивной схемы

 

Рисунок 2

 

робота общим функциональным показателям работы. Как показывает анализ из современных конструкций требованиям кинематических схем горных ро ботов для очистных и проходческих работ отвечает схема механизированной крепи М - 130. Требования включают независимое перемещение робота в 3D пространстве, необходимые конструктивные особенности для обеспечения движения его основных узлов по заданным и свободно избираемым траекториям при выполнении рабочих функций. Эти работы включают передвижение вслед за забоем, вход и выход в забой, крепление кровли, управление или взаимодействие с другими машинами, входящими в очистной или проходческий комплекс: конвейерами, элементами стационарно переносной крепи для крепления вспомогательных выработок, буровыми устройствами и т.п. Кроме основных функций по креплению кровли в забое робот имеет ряд вспомогательных функций. Они выполняются с помощью встроенных манипуляторов и специального модульного программного обеспечения (ПО). Секция М – 130, рисунок 1 имеет независимые гидроопоры, которыми можно управлять (подъем, опускание, наклоны влево-вправо, вперед-назад) гидродомкратами. Недостатком М – 130 являлось отсутствие системы автоматизированного управления, и поэтому при недостаточно обученном персонале возникали проблемы с устойчивостью секций.

5. Элементы проектирования робототехники

Роботизация включает программное управление её элементами. Для моделирования на макетах в робототехнике часто используется система с ПО Arduino. Для этого существует известная среда программирования «Arduino IDE», под управлением операционных систем Windows, Mac OS и Linux, которая позволяет загружать новые программы с USB - соединением платы к компьютеру. Возможна работа и через другие IDE или непосредственно через командную строку. Система функционирует на основе языка С++. При этом при проектировании модели и моделировании её параметров применяется пакет САПР Solid Works, где разрабатываются конструктивные элементы горного робота [1], а для построения управляющих схем Ramus Educational [6], [7]. Роботы андроиды обычно имеют руку, способную захватывать различные предметы. Для манипуляторов секции крепи программу операций можно упростить, поскольку захват осуществляется для предметов конфигурацию которых досточно просто описать объектно-ориентированным кодом. Тогда с учетом конструктивного исполнения секции крепи можно построить информационную модель функционирования робота, рисунок 3. С элементами многомерных классификаций [5], [6].

Заметим, что наряду с использованием робототехнических систем при добыче необходимо присутствия человека в выработках. Логика показывает, что возможны экстремальные ситуации, когда его присутствие окажется просто необходимым. Поэтому при добыче месторождений должны сохраняться выработки, по которым человек может проникнуть в недра. Это также верно и из предпосылок новых технологий, согласно которым вредные производства, транспортные потоки со временем будут упрятаны в недра, что например, следует из известных разработок Илона Маска руководителя программы США SpageX c ракетоносителем Falcon9. Эти предприятия ныне озабочены созданием проходческой техники с производительностью выше современных показателей в 5 раз. Это, позволяет говорить о новом этапе в горном деле в области подземной разработки, когда она вновь станет лидирующей в отрасли. При этом резко актуализируются и схемы, разработки пластовых месторождений с применением технологии разворота механизированных крепей, и оставлением транспортно-вентиляционной выработки, обеспечивающих без монтажную работу техники, впервые испытанных в кузнецком и карагандинском бассейнах в конце 20 в. Существенным моментом технологии является и то, что здесь же применяются и скважинные технологии для дегазации пласта, управления его физико- химическими свойствами, предотвращения внезапных выбросов угля и газа. В конце 80 годов, с появлением комплексов нового технического уровня (КМ–130, ОКП–70) в Караганде произошло явное оживление подземной добычи. С их применением были установлены новые мировые союзные и региональные рекорды добычи угля. Изготовленные на заводах КАРГОРМАШ они были технологичны, не требовали больших расходов на ремонт. При этом удержание кровли забоев было впечатляюще успешным. Сущность технологи разворота заключалась в том, что осуществив выемку нужного столба (технология выемки длинными столбами по простиранию пласта) очистной комплекс разворачивался на 180 градусов по радиусу равным длине лавы вокруг транспортной выработки. Часть лавы у центра разворота у этой выработке практически не перемещалась, а противоположная должна была описать дугу длиной πL м. Тогда количество движек, которые совершит любая секции находящаяся на расстоянии lx от

N= πlx/b

Где L- длина лавы;

b – ширина захвата комбайна

Давление у сопряжения лавы с транспортной выработкой, как следует из производственного опыта, превышало давление в середине лавы и вызывало

Рисунок 3. Модель робототехнической системы М – 130 Р с элементами многомерных классификаций

разрушение пласта и пород и вывалообразование из кровли. Изучение вывалообразования показало, что объем выпавшей породы для движущейся лавы зависел от времени выстоя кровли (времени не перекрытого стояния в этой зоне), которое в свою очередь возрастало от дальнего конца лавы к центру разворота и было пропорциональным (практически секции у выработки за время разворота не пердвигаются)

T = (NL/b)*t1

t1 – длительность передвижки одной секции, в котором учтены простои лавы.

На рисунке 3 приведены зависимости объема вывалов от ширины неподдерживаемой полосы кровли для крепи типа М-81, М-130 и МК-97, как видно из рисунков, характер зависимостей сохраняется для различных типов крепей и диапазонов вынимаемых мощностей пластов. Совокупность кривых V = f (t) построена для различных значений времени выстоя кровли

t соответственно от 1 до 4 ч. Графики построены по формально устаревшим данным, но и в настоящее время параметры крепи М- 130 не отстают от тех современных средств крепления. А это позволяет использовать результаты в условиях нарушенности кровли забоев, где коэфициент нарушенности кровли К_н одинаков. К_н есть отношение суммарной длины участков кровли нарушенных вывалами к общей длине забоя. Исследования производились при Кр не менее 0.2 и не более 0.3.

 

Рисунок 4 - Объём вывалов от ширины неподдерживаемой кровли: 1, 2, 3, 4 – соответственно для времени выстоя кровли у забоя в течение 1, 2, 3 и 4 час.

 

Причины простоев связанные с организационными причинами являются устранимыми. Поэтому роль таких факторов, как операционность в очистном забое вытекающая из технологической схемы, позволит повысить производительности труда и следует применять схемы, где она минимальна. Время выстоя также существенно зависит от способности механизированной крепи передвигаться сразу за проходом комбайна. Все причины влияющие на его увеличение устраняются при применении схем роботизированной выемки. При повороте возможна передвижка секций сразу на величину захвата комбайна либо меньшими шагами, но в этом случае секции будут передвигаться (со снятием с распора и последующим распором) чаще. Причем это будет иметь место на секциях ближних к центру поворота, поэтому циклическое нагружение здесь значительно чаще, а нарушенность выше. Это провоцирует вывалообразование из кровли и резкое ухудшение состояние забоя, что делает технологию менее эффективной. Из формул следует, что негативные факторы возрастают с возрастанием длины лавы. Увеличению частоты передвижки способствуют и связи между секциями крепи и конвейером. Так как при передвижке на полный шаг дальних секций, величина возможного хода на остальных уменьшается пропорционально расстоянию секций до центра и становиться меньшей чем традиционная. В современных условиях увеличение длины лавы затрудняется из-за уменьшения участков с благоприятными горногеологическими условиями, когда лава фактически разделяется нарушениями. В этих условиях возвращение к коротким лавам с технологией разворота до 180 градусов вновь актуализируется. Как указывалось сама проблема проходки транспортной выработки отпадает из-за наличия техники которая в 3- 5 возрастет по скорости проходки.

Перечислим и другие причины

- существенно упроститься управление состоянием забоя как по причине возможностей визуального наблюдения за забоем оператором, так и вследствие улучшения геомеханической обстановки при работе в однородных породах и близких по факторам проявления горного давления условий;

- автоматизация работ упрощается и все больше основных и дополнительных процессов теперь станет возможным выполнять автоматически;

- появляется возможность упорядоченности процессов управления боковыми породами и поддержки заданного состояния забоя.

Указанные принципы открывают возможности применения в коротких забоях робототехники, причем технологические схемы их работы являются гибкими с возможностью приспособления к различным горногеологическим условиям, видам применяемого оборудования программному обеспечению включая и возможности разработки в самых необыкновенных условиях, например, на планетах земной группы.

Крепь М – 130 по своим параметрам могла бы успешно соперничать с современными образцами типа Глиник имея цену на изготовление значительно меньшую. Было немало попыток модернизировать М- 130, например, известны предложения, придать ей единое основание вместо тарельчатых опор. Телескопически выдвижное ограждение крепи подвешенное к верхняку, волочилось по почве вслед за секцией. Во многих случаях под неё набивалась породная мелочи и в результате оно занимало наклонное положение с поднятием нижней части на высоту до 1 м., что резко увеличивало длину крепи и нагрузку на заднюю часть верхняка. Секция оседала в задней части занимая наклонное положение. При передвижке шпунты связывающие соседние секции двигались также под наклоном, что приводило к недодвижке секции на полны ход. В печати известна и критика конструкции тарельчатых опор гидростоек из-за их индивидуальной работы. Однако такие доводы отметались результатами работы. Производительность лав была наивысшей в бассейне и разве только уступала отдельным рекордам достигнутыми комплесами с уникальной крепью ОКП–70. Этому способствовало и рабочее сечение секции М - 130 для вентиляции забоя, которое обеспечивало лучшие условия для проветривания лав и до сих пор не превзойдено в мире.

Недостаток же к которому относили независимость гидростоек в самом деле при умелом управлении становился огромным достоинством. Крепь могла шагать сама, и не нуждалась в связи к конвейер балкой как у других конструкций, а следовательно при развороте лавы могла «дожидаться» положения для передвижку на полный ход. Гидростойки были гибко связаны друг с другом и соседними секциями домкратами и нуждались в умелом управлении, так как автоматизированной системы передвижения в ней не было и это было самым большим недостатком.

При наличии программного управления и придания большего соответствия возможностям робототехники такая система могла бы использоваться в современных схемах короткозабойной выемки. Конструктивные изменение заключались в подвеске ограждения на рычажном лемнискатном механизме (он смонтирован в верхней части у перекрытия). Что придавало устойчивость секцие в продольном и поперечном направлении и в тоже время возможности управления ею были выше чем на секциях типа Глиник из-за небольшого веса. Передняя стойка отделенная от задней программно управлялась домкратами, см. симуляцию движений крепи в пакете Adams, рисунок 5 и 6. Проектирование позволяет получить силовые параметры (скорости, ускорения и опорные реакции в любом шарнире секции крепи) для 3 D модели при смещении секции под действием сил горного давления. Практически можно получить данные при любом положении элементов, гидростоек в том числе и при нессиметричном нагружении секции. Пакет приспособлен для проектирования роботехники и может программироваться на основе С++, что существенно повышает возможности моделирования и оптимизации конструкции. Для секции наряду с инфологической моделью разработана многомерная база сетевого типа, включаюшая основные конструктивные элементы, программы расчета прочности и имитации движения с применением пакетов Ansys и Adams

Для этого применяются и системы экспертного анализа и самообучения на основе технологии нейросетей [8]. Создание элементарных систем самообучения возможно в специализированных пакетах следуя приведенным инструкциям. Алгоритмы самообучения не сложны для программиста, например, в [5] на с. 46-47 приведен алгоритм самообучения на языке Basic из 33 строк.

В наиболее известной сетевой архитектуре, нейроны каждого слоя (уровня) не связаны между собой и могут соединяться входами-выходами только с верхним и нижним слоями. В этом случае одна часть нейронов, имеющих по одному входу и выходу в первом слое, используется только для обработки входных признаков, а другая — для обработки сигналов, полученных от нейронов из предыдущего, в частности, из первого. Модель объекта, реализуемая нейросетью, является, как бы, «черным ящиком», включающим все слои, от входного до выходного, и имеющим обычно много входов (входные нейроны сетевой структуры) и один выход. На вход подается набор признаков, описывающих состояние исследуемого объекта (значения его свойств), а на выходе нейросеть выдает оценку определяемого свойства (если предварительно зафиксированы веса всех нейронов сети). Считают, что при усвоении и обработке информации участвуют участки и целые ансамбли клеток, образующие группы и подгруппы иерархической структуры - нейросети, модели, которых широко используются в обработке компьютерами информации, где необходимы анализ и решение не тривиальных задач. Нейросетевое моделирование можно применять на основе баз данных построенной по алгоритмам многомерных классификаций АМК объектов, также как и нейросети, образующими структуру групп узлов и подузлов. В узлах – таблицах, с программами обработки (макросы и модули), создается возможность использования комплекса пакетов для моделирования процессов и данных в 3 d. В базах поддерживается иерархическая структура, а с учетом мощного программного обеспечения в узлах, соединяемых через гиперссылки с внешним программным обеспечением, и сетевая структура, обеспечивающая взаимодействие не только с соседними сопрягаемыми узлами, но и расположенными за пределом моделируемого объекта, рисунок 3

Рисунок 5.

Рисунок 6.

В ней заложена мощная система, позволяющая объединять пространственные узлы, казалось бы разных по предназначению баз, но работающих в единой логике, при этом образуя ансамбли нейросети в одной области они могут переходить к классической структуре баз в другой. Тогда примитивная схема узла может уже рассматриваться как простой процессор. В системах моделирования машин и механизмов, наряду с применением в узлах программ на основе объектно-ориентированных языков типа VB, C++ через гиперссылки используются пакеты типа Ansys (work bench), Adams, SolidWorks, Comsol multiphysics, в их меню для сложных машин вложены уравнения механики и других физических состояний, которые вводятся в работу при перетаскивании в проект и вводе исходных данных. Создание таких систем создаст возможности реализации системы обратной связи по типу [9] которая является единственно- правдоподобной для расчета параметров очистных забоев.

Заключение

Предложена секция роботизированной крепи на базе крепи М – 130, она обеспечивает возможность преодоления сложной гипсометрии пласта, а также его разрывных нарушений. Методика кинематического расчета крепи аналогична выше приведенной.

Проведен анализ особенностей проектирования и моделирования макетов робототехнических устройств для очистных забоев шахт с применением плат Arduino. Построена инфологическая модель управления роботом. Представлены основные элементы многомерной базы данных сетевого типа и автопроектирования в системе пакетов CAD/CAM/CAE. С целью максимального соответствия конструкции крепи особенностям работы горных роботов выполнен анализ секций крепи и выбран её тип. Схема должна обеспечивать индивидуальное перемещение робота за движением забоя, возможности преодоления разрывных нарушений пласта шагами вверх и вниз, возможности разворота забоя на 180 градусов, установку дополнительного оборудования манипулятором. В пакете Adams выполнено моделирование усовершенствованной конструкции типа М-130. Система многомерной базы с узлами-таблицами с гиперссылками на процессоры пакетов позволяет создавать программы моделирования прогнозирования состояния робота, управления и интеллектуального отбора решений, как в простой нейросети.

Литература

Бейсембаев К.М., Дёмин В.Ф., Жолдыбаева Г.С., Малыбаев Н.С., Шманов М.Н Автопроектирование горных машин в 3D: проектно-модельный подход. Караганда, 2016, изд-во КарГТУ, 207с

Бейсембаев К.М. Универсализация технологий разработки пластовых месторождений Успехи современного естествознания - 2014.- Москва, "Академия Естествознания", № 5 часть 1, с. 126-131

Marcman H. The blue brain project.-NatRevNeurosci.2006.7. С. 153-160

Ranzato Marc'Aurelio, Christopher Poultney, Sumit Chopra and Yann LeCun: Efficient Learning of Sparse Representations with an Energy-Based Model, in J. Platt et al. (Eds), Advances in Neural Information Processing Systems (NIPS 2006), MIT Press, 2006

К.Нейлор Как построить свою экспертную систему. Москва Энергоатомиздат. 1991.286 с.

Структурный подход к проектированию информационных систем Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Проектирование информационных систем" Составители: Диязитдинова А.Р., Халимов Р.Р., Жданова Е.И. Самара, 2011 г. c/51, file: /C:/Users/user/Desktop/modelirovanie-manipulyatora-kisti-androida.pdf

А.Д. Михед, Е.Е. Смирнова, Ю. В. Липатова. Моделирование манипулятора кисти андроида // Известия ТулГУ, Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 2, с.343 –

Soleiman Nouri F., Haddad Zarif M., Fateh M. M. Designing an adaptive fuzzy control for robot manipulators using PSO//Journal of AI and Data Mining Vol. 2, No. 2, 2014, 125-133.

Патент СССР 1833471 Способ добычи угля в сложных условиях и механизированная крепь. / Жихорь Е.А.и Шманов М.Н. Бейсембаев. К.М.; опубл. 07.08.93, Бюл. № 29. -6 с: ил

Код для цитирования: Скопировать