KONCEPCJA ROZBUDOWY I PARAMETRYZACJI WIRTUALNEGO MODELU ŚCIANOWEGO PRZENOŚNIKA ZGRZEBŁOWEGO

KONCEPCJA ROZBUDOWY

I PARAMETRYZACJI WIRTUALNEGO MODELU ŚCIANOWEGO

PRZENOŚNIKA ZGRZEBŁOWEGO

Krzysztof Herbuś

, Kamil Szewerda

, Jerzy Świder

1Instytut Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska

akrzysztof.herbus@polsl.pl, ^bjerzy.swider@polsl.pl

2Laboratorium Metod Wirtualnego Prototypowania, Instytut Techniki Górniczej KOMAG kszewerda@komag.eu

Streszczenie

Duże moce silników napędowych stosowanych w ścianowych przenośnikach zgrzebłowych, znaczne odległości pomiędzy jego napędami, jak również nierównomierne obciążenie urobkiem są przyczyną dynamicznych zmian na- pięcia łańcucha oraz stanu obciążenia silników napędowych. Stany nadmiernego luzowania łańcucha zgrzebłowego, jak i jego zbyt dużego napięcia, wpływają niekorzystnie na pracę przenośnika i są przyczyną przyspieszonego zu- życia jego podzespołów i częstą przyczyną awarii. W artykule przedstawiono koncepcję modelu obliczeniowego przenośnika ścianowego opracowanego w ITG KOMAG, umożliwiającego prowadzenie symulacji numerycznych, w celu opracowania uogólnionego, parametrycznego algorytmu sterowania przenośnikiem zgrzebłowym, przeznaczo- nym do zabudowy w wyrobisku ścianowym.

Słowa kluczowe: przenośnik zgrzebłowy, symulacje numeryczne, metoda układów wieloczłonowych

THE CONCEPT OF DEVELOPMENT

AND PARAMETERISATION OF A VIRTUAL MODEL OF AN ARMOURED FACE CONVEYOR (AFC)

Summary

High power of drive motors used in armoured face conveyors (AFC), long distances between the drives, as well as uneven load cause dynamic changes in chain tension and in loads of driving motors. Excessive loosening of a scraper chain as well as its too high tension have negative impact on the conveyor operation and cause rapid wear of its components. These phenomena often lead to the machine failure. The paper presents the concept of the AFC calculation model developed in the KOMAG Institute, allowing to carry out numerical simulations to devel- op a generalized parametric algorithm of the AFC control system, designed for installation in a longwall system.

Keywords: Armoured Face Conveyor (AFC), Numerical Symulations, MultiBody System

1. WSTĘP

rozwiązania techniczne, mające na celu minimalizację wpływu przeciążeń dynamicznych, które jednocześnie umożliwiają płynny rozruch przenośnika. Do najczęściej spotykanych można zaliczyć [2,4,5]:

• sprzęgła podatne,

• silniki dwubiegowe,

• sprzęgła hydrokinetyczne o stałym lub regulo- wanym napełnieniu,

• przekładnie CST,

• rynny teleskopowe,

• przekładnie SAFESYDOR,

• sprzęgła wielopłytkowe,

• przemienniki częstotliwości do regulacji napę- dów przenośnika.

Innowacyjnym sposobem, mającym na celu zminima- lizowanie przeciążeń dynamicznych oraz pracę przeno- śnika, z optymalnym stopniem napięcia łańcucha zgrze- błowego, jest zastosowanie przemienników częstotliwości.

Służą one do regulacji prędkości obrotowej silników napędowych i współpracują z układem napinania łańcu- cha zgrzebłowego. Podstawowym problemem, mogącym wpływać na zmniejszenie awaryjności przenośników i skutkować zwiększeniem trwałości elementów, takich jak: łańcuch zgrzebłowy, gwiazdy napędowe czy ślizgi na napędzie zwrotnym, a także zwiększeniem stopnia wyko- rzystania zainstalowanej mocy, jest zastosowanie odpo- wiedniego, adaptacyjnego algorytmu sterowania często- tliwością zasilania silników napędowych oraz stopniem wysunięcia rynny teleskopowej. W ramach prac badaw- czych prowadzonych w Instytucie Techniki Górniczej KOMAG powstał model obliczeniowy przenośnika zgrzebłowego, wyposażonego w przemienniki częstotliwo- ści na obu jego napędach, przetwornik siły nacisku zgrzebła na blachy ślizgu na napędzie zwrotnym oraz

zgrzebłowe różnej wielkości. Wspomniana analiza będzie możliwa dzięki integracji wirtualnego sterownika z wirtualnym układem sterowania z zastosowaniem tech- niki symulacji równoległych [1,3,8]. Rozbudowa modelu umożliwi prace, zmierzające do sparametryzowania algorytmu sterowania przenośnikiem zgrzebłowym przeznaczonym do zabudowy w przodku ścianowym o zadanym stopniu nachylenia.

2. STRUKTURA MODELU OBLICZENIOWEGO PRZENOŚNIKA

Model obliczeniowy ścianowego przenośnika zgrze- błowego, opracowany w ramach projektu ICON, zasto- sowano do testowania jego algorytmu sterowania [4].

Przenośnik był wyposażony w napędy elektryczne, zasilane za pomocą przemienników częstotliwości, tele- skopową rynnę napędu zwrotnego oraz dwa przetworni- ki, służące do określenia stanu jego pracy.

Zastosowane w modelu obliczeniowym uproszczenia polegały na: zastąpieniu dwóch nitek łańcucha zgrze- błowego jedną, o zredukowanej masie ogniw i zgrzebeł, zmniejszeniu odległości pomiędzy bębnami napędowymi, poprzez dobór właściwych współczynników zredukowa- nej sztywności łańcucha oraz ograniczenie możliwości prowadzenia symulacji na płaszczyźnie (analizy 2D rys. 1).

Model obliczeniowy przenośnika podzielono na trzy moduły [2,6,7] (rys. 2):

• moduł modelu fizycznego przenośnika zgrze- błowego,

• moduł modelu silników napędowych,

• moduł algorytmu sterowania pracą przenośnika.

Rys. 1. Model 2D przenośnika zgrzebłowego [4]

Rys. 2. Modułowa struktura modelu obliczeniowego ścianowego przenośnika zgrzebłowego [7]

Moduł modelu fizycznego przenośnika zgrzebłowego opracowano w środowisku klasy MBS (ang. MultiBody System). W skład modułu wchodził uproszczony model geometryczny, uzupełniony o odpowiednio zdefiniowane:

więzy geometryczne, elementy sprężysto – tłumiące, wektory sił i momentów oraz postacie kontaktów pomię- dzy wybranymi bryłami sztywnymi. Model geometrycz- ny przenośnika ograniczono do wyznaczenia zarysu najważniejszych, pod względem funkcjonalności, elemen- tów przenośnika, takich jak bębny łańcuchowe, przekrój podłużny trasy przenośnika, łańcuch zgrzebłowy oraz przetworniki monitorujące stan pracy przenośnika[4,7].

Moduł modelu silników napędowych opracowano w środowisku MatLab/Simulink. Zaimplementowano w nim charakterystyki elektrycznych silników napędo- wych przenośnika zgrzebłowego, uwzględniające zmiany częstotliwości zasilania silników przez przetworniki częstotliwości. Model umożliwia obliczenie momentu

wego. Na podstawie danych wejściowych, takich jak momenty obciążenia silników, sygnały z przetworników, wielkość wysunięcia siłownika rynny teleskopowej, są generowane odpowiednie stany na wyjściach z modułu algorytmu sterowania. W algorytmie sterowania pracą przenośnika uwzględniono możliwość sterowania często- tliwością zasilania silników napędowych oraz stopniem wysunięcia rynny teleskopowej na napędzie zwrotnym przenośnika [4,7].

W celu przeprowadzenia symulacji numerycznych pomiędzy poszczególnymi modułami modelu obliczenio- wego zdefiniowano sygnały wejściowe i wyjściowe.

Sygnały wyjściowe z jednego modułu były zarazem sygnałami wejściowymi do kolejnych modułów. Zdefi- niowanie sposobu przepływu sygnałów pomiędzy modu- łami pozwoliło na przeprowadzenie symulacji równole- głej, integrującej środowisko programowe klasy MBS (MSC.Adams) oraz MatLab/Simulink. W rozbudowa- nym modelu obliczeniowym zdefiniowano 13 sygnałów wej/wyj pomiędzy poszczególnymi modułami. Sposób przepływu sygnałów przedstawiono na rys. 3.

• 9 – prędkość obrotową bębna łańcuchowego na napędzie wysypowym,

• 10 – częstotliwość zasilania silnika napędowego na napędzie zwrotnym,

• 11 – częstotliwość zasilania silnika napędowego na napędzie wysypowym,

• 12 – zmianę stopnia wysunięcia siłownika rynny teleskopowej na napędzie zwrotnym,

• 13 – obciążenie urobkiem górnej nitki łańcucha zgrzebłowego.

3. KONCEPCJA MODELU PRZENOŚNIKA

W pierwszym etapie rozbudowy modelu obliczenio- wego przenośnika zgrzebłowego przewiduje się zmodyfi- kowanie modułu modelu fizycznego przenośnika. Zosta- nie rozbudowany model geometryczny przenośnika, uwzględniający możliwość zastosowania różnych wielko- ści łańcucha zgrzebłowego. Ponadto model zostanie wyposażony w dwa dodatkowe, wirtualne przetworniki, identyfikujące stany pracy przenośnika. W rozbudowa- nym modelu obliczeniowym znajdą zastosowanie nastę- pujące wirtualne przetworniki:

• siły nacisku zgrzebła na blachę ślizgu, na napędzie zwrotnym,

• detekcji stanu luzowania łańcucha zgrzebłowego, na napędzie wysypowym,

• siły nacisku zgrzebeł na element pomiarowy, zloka- lizowany na napędzie wysypowym,

• stanu luzowania łańcucha zgrzebłowego, na napę- dzie zwrotnym.

3.1 MODEL NAPĘDU ZWROTNEGO

Rozbudowa modelu napędu zwrotnego przenośnika zgrzebłowego będzie polegać na zbudowaniu uproszczo- nego modelu geometrycznego rynny teleskopowej,

Drugi przetwornik, zabudowany w rozbudowanym modelu napędu zwrotnego przenośnika zgrzebłowego, będzie służył do detekcji stanu luzowania łańcucha.

Potrzebę wprowadzenia przetwornika zidentyfikowa- no podczas analizy wyników symulacji, przeprowadzo- nych na modelu uproszczonym (z dwoma przetwornika- mi stanu pracy), podczas których zaobserwowano wy- stępowanie stanu luzowania łańcucha na zejściu z bębna łańcuchowego na napędzie zwrotnym. Stan ten nie był dotychczas wychwytywany przez algorytm sterowania.

Model przetwornika zbudowany z jednej bryły sztywnej będzie wbudowany w rynnę przenośnika tak, jak przed- stawiono na rys. 4. Zgrzebło przemieszczające się nad bryłą przetwornika, w sytuacji dużego lub optymalnego napięcia łańcucha zgrzebłowego, nie zmieni siły nacisku bryły przetwornika na rynnę. W przypadku zbyt małego napięcia łańcucha i wystąpienia stanu luzowania łańcu- cha, zgrzebła będą oddziaływały na bryłę przetwornika i zwiększały jej nacisk na rynnę. Podczas symulacji w sposób ciągły będzie monitorowany poziom nacisku bryły na elementy rynny. Sygnał będzie przekazywany do modułu układu sterowania, gdzie będzie identyfiko- wany jako sygnał dwustanowy (po przekroczeniu ustalo- nej siły nacisku stan zmiennej w algorytmie sterowania, świadczący o występowaniu luzu łańcucha na napędzie zwrotnym, będzie ustawiany na wysoki poziom).

3.2 MODEL NAPĘDU WYSYPOWEGO

Rozbudowa modelu napędu wysypowego przenośni- ka, analogicznie jak w przypadku napędu zwrotnego, będzie uwzględniać uproszczone cechy geometryczne profilu rynny przenośnika. Na napędzie wysypowym zostanie zabudowany przetwornik, służący do detekcji stanu luzowania łańcucha zgrzebłowego na zejściu z bębna napędowego. Przetwornik będzie się składał z jednej sztywnej bryły. Sposób jego zabudowania w modelu napędu wysypowego przedstawiono na rys. 6.

Rys. 4. Koncepcja rozbudowy modelu napędu zwrotnego przenośnika zgrzebłowego Sposób działania przetwornika będzie analogiczny do

sposobu działania przetwornika służącego do detekcji stanu luzowania łańcucha, zabudowanego na napędzie zwrotnym. Ponadto na napędzie wysypowym zostanie zabudowany dodatkowy przetwornik, służący do detekcji stanu nadmiernego napięcia łańcucha zgrzebłowego.

Przetwornik będzie zbudowany z jednej bryły sztywnej, której lokalizację i sposób zabudowy w modelu przed- stawiono na rys. 6. W sytuacji, gdy łańcuch zgrzebłowy będzie zbyt napięty, zgrzebło przechodzące pod bryłą przetwornika będzie naciskać na nią (w czasie symulacji będzie monitorowana siła nacisku bryły przetwornika na rynnę).

Wartość nacisku będzie przekazywana jako sygnał wejściowy do modułu algorytmu sterowania. Algorytm sterowania będzie identyfikował sygnał jako dwustano- wy. Jeżeli wartość nacisku przekroczy założoną wartość, zmienna opisująca stan nadmiernego napięcia łańcucha zgrzebłowego na stacji zwrotnej będzie ustawiana w algorytmie na wysokim poziomie.

3.3 MODEL ŁAŃCUCHA ZGRZEBŁOWEGO

zgrzebeł, a ich obecność sprowadzono do wprowadzenia zredukowanych mas zgrzebeł, dodanych do wybranych ogniw łańcucha (rys. 5). Możliwość ruchu brył, odpo- wiadających poziomym ogniwom łańcucha, ograniczono do płaszczyzny (analiza 2D).

Rys. 6. Koncepcja rozbudowy modelu napędu wysypowego przenośnika zgrzebłowego W rozbudowanym modelu obliczeniowym zastosowa-

no dwie nitki łańcucha zgrzebłowego o zredukowanej masie ogniw. Dodatkowo do modelu wprowadzono uproszczone modele geometryczne zgrzebeł, które są połączone więzami geometrycznymi z odpowiednimi ogniwani łańcucha (rys. 5). Model pojedynczej nitki łańcucha składa się z brył sztywnych, odpowiadających ogniwom poziomym łańcucha o założonej wielkości.

Ogniwa pionowe łańcucha są zastąpione elementami sprężysto – tłumiącymi, o zredukowanych współczynni- kach sztywności i tłumienia odpowiednich do właściwo- ści mechanicznych łańcucha oraz długości przenośnika.

3.4 PARAMETRYZACJA MODELU FIZYCZNEGO

W celu rozszerzenia możliwości prowadzenie badań symulacyjnych, nieograniczonych do jednego typu przenośnika ścianowego, postanowiono dokonać parame- tryzacji poszczególnych jego podzespołów. Umożliwi to w efekcie przeprowadzenie testów algorytmu sterowania pracą przenośnika zgrzebłowego o różnych wielkościach łańcucha i różnej wielkości bębnów łańcuchowych.

Najczęściej stosowanym typem bębnów łańcuchowych są obecnie bębny, wyposażone w gwiazdy łańcuchowe, o liczbie zębów równej 7. Opracowano typoszereg modeli gwiazd łańcuchowych, odpowiednich do współpracy z

łańcuchami o wielkościach 30x108, 34x126, 38x137, 42x146. (rys. 7)

Kolejnym podzespołem, którego model zostanie poddany parametryzacji, jest rynna przenośnika. Analo- gicznie, jak w przypadku bębnów łańcuchowych, zosta- nie opracowany typoszereg, składający się z różnych szerokości rynien o profilach przekroju E230, E260,E 295, E330. Rozbudowa modelu obliczeniowego o możli- wość doboru wybranego profilu rynny będzie się wiązać z opracowaniem typoszeregu modeli zgrzebeł, współpra- cujących z wymienionymi typami i szerokościami modeli rynny przenośnika.

Rys. 7. Typoszereg modeli bębnów łańcuchowych

3.5 PORÓWNANIE MODELI OBLICZENIOWYCH

W tablicy 1 zamieszczono zestawienie podstawowych różnic pomiędzy modelem pierwotnym a modelem rozbudowanym przenośnika ścianowego, zgodnie z przedstawioną koncepcją.

Tablica 1. Zestawienie różnic modeli obliczeniowych przenośnika ścianowego

Model pierwotny Model rozbudowany

Uproszczenie 1

Model geometryczny uproszczony do zarysu najważniejszych, pod względem funkcjonal-

nym, elementów przenośnika. Rynny przenośnika ograniczone do przekroju podłużnego, odwzorowującego trasę łańcu-

cha.

Model geometryczny będzie uwzględniać profil rynny przenośnika (możliwość zastosowania w modelu rynny, o wybranym profilu i szerokości, z

opracowanego typoszeregu rynien).

Uproszczenie 2

Dwie nitki łańcucha zgrzebłowego zastą- pione jedną, o zredukowanych masach

ogniw.

Dwie oddzielne nitki łańcucha zgrzebłowego o zredukowanych masach ogniw. Możliwość zasto-

sowania łańcucha o różnej wielkości ogniw i zdefiniowanej podziałce.

Uproszczenie 3

Pominięto zgrzebła i zastąpiono je masami zastępczymi, dodanymi do odpowiednich

ogniw.

Uproszczony model 3D zgrzebeł powiązanych więzami geometrycznymi, z odpowiednimi ogni-

wami łańcucha.

Liczba prze- tworników monitorujących

stany pracy przenośnika

W modelu obliczeniowym zabudowano dwa przetworniki służące do analizy stanu pracy

maszyny:

• siły nacisku łańcucha na napędzie zwrotnym (4 poziomy nacisku),

• detekcji stanu luzu łańcucha na napę- dzie wysypowym (0/1).

W modelu obliczeniowym zostaną zabudowane cztery przetworniki służące do analizy stanu

pracy maszyny:

• siły nacisku łańcucha na napędzie zwrotnym (4 poziomy nacisku),

• detekcji stanu luzu łańcucha na napędzie wysypowym (0/1),

• detekcji luzu łańcucha na napędzie zwrot- nym (0/1),

• detekcji stanu nadmiernego napięcia łańcu- cha na napędzie wysypowym (0/1).

zgrzebłowy, pozwoli na ich dowolną konfigurację. Roz- szerzy to możliwości przeprowadzenia symulacji nume- rycznych przenośników o różnej wielkości łańcucha zgrzebłowego i rynien przenośnika (profil i szerokość rynny). Uszczegółowienie cech geometrycznych rozbu- dowanego przenośnika pozwoli na wprowadzenie modelu zgrzebeł oraz analizę ich ruchu. Pozwoli to na przepro- wadzenie symulacji, w których zgrzebło ma możliwość

niowy przenośnika ścianowego będzie zastosowany do prac, związanych z rozbudową i parametryzacją algo- rytmu sterowania jego pracą. Dzięki zastosowaniu rozbudowanego modelu obliczeniowego oraz symulacjom równoległym (środowisko MBS – MatLab/Simulink) będzie możliwe prowadzenia analiz kinematyki i dyna- miki pracy przenośników, w różnych warunkach ich zabudowy.

Artykuł jest wynikiem prac realizowanych w ramach grantu doktoranckiego finansowanego przez Instytut Techniki Górniczej KOMAG.

Obliczenia wykonano na komputerach Centrum Informatycznego Trójmiejskiej Akademickiej Sieci Komputerowej

Literatura

1. Banaś W., Herbuś K., Kost G., Nierychlok A., Ociepka P., Reclik D.: Simulation of the Stewart platform carried out using the Siemens NX and NI LabVIEW programs. „Advanced Materials Research” 2014, 837, p. 537-542.

2. Drwięga A., Szewerda K., Tytko S.: Zagadnienia regulacji obciążeń napędów w wysoko wydajnym przenośniku zgrzebłowym kompleksu ścianowego: nowoczesne metody eksploatacji węgla i skał zwięzłych. Monografia. Kra- kow: AGH, 2013 s. 375-384

3. Herbuś K., Kost G., Reclik D., Świder J.: Integration of a virtual 3D model of a robot manipulator with its tangible model (phantom). „ Advanced Materials Research” 2014, 837, p. 582-587.

4. Opracowanie wirtualnego dyskretnego modelu przenośnika wraz z modelem jego sterowania, przeprowadzenie testowych symulacji numerycznych modelu. Raport projektu badawczego ICON: System wyrównywania obcią- żeń napędów wysoko wydajnych przenośników zgrzebłowych. Ścieżka programowa In-Tech. Gliwice, 2012 (materiały niepublikowane).

5. Suchoń J.: Górnicze przenośniki zgrzebłowe: budowa i zastosowanie. Gliwice: Instytut Techniki Górniczej KOMAG, 2012.

6. Szewerda K., Tokarczyk J.: Zastosowanie wirtualnego prototypowania w ocenie algorytmu sterowania przenośni- ka zgrzebłowego. „Maszyny Górnicze” 2013 nr 4 s. 39-45

7. Szewerda K.: Wirtualne prototypowanie w tworzeniu algorytmu sterowania przenośnikiem zgrzebłowym.

KOMTECH 2014, Innowacyjne techniki i technologie dla górnictwa. Bezpieczeństwo - Efektywność - Niezawod- ność. Gliwice: Instytut Techniki Górniczej KOMAG, 2014 s. 195-206.

8. Herbuś K., Ociepka P.: Mapping of the characteristics of a drive functioning in the system of CAD class using the integration of a virtual controller with a virtual model of a drive. “Applied Mechanics and Materials” 2015, 809-810, p. 1249-1254.