ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
1.
Романов В.П., Коряковский А.В. Корпоративтік ақпараттық жүйелер // М., 2011. 199-204 б.
2.
Ясенев В.Н. Ақпараттық жүйелер және экономикадағы технологиялар// Юнити-Дана, 2008. 560 б.
3.
Бойцов И. Компьютер-Информ // [Электрондық ресурс]. URL:http://old.ci.ru/inform20_04/p_10.htm
4.
Эфендиева А.Н. Корпоративтік ақпараттық жүйелердің қазіргі нарығы// М., 2012. 21-24 б.
5.
Калянов Г.Н. CASE-технологиялар: бизнес-үрдістерді автоматтандыруда. – 3-ші басылым/ Г.Н. Калянов. – М.: Горячая
линия – Телеком, 2012. – 320 б.
138
Труды университета
Раздел «Машиностроение. Металлургия»
Научные сообщения
УДК 622.416.4
Аннотация диссертационной работы
«Исследование рудничной атмосферы
при эксплуатации горного погрузочно-
доставочного оборудования с ДВС
для обеспечения безопасности горных работ»
Д.С. СЫЗДЫКБАЕВА, магистрант 2-го курса,
Карагандинский государственный технический университет, кафедра РАиОТ
Ключевые слова: вентиляционная система, дизельный двигатель, погрузочно-доставочная машина, пре-
дельно-допустимая концентрация (ПДК), рудничная атмосфера.
воздушной среде подземных горных выработок
может содержаться вредных примесей во много
раз больше, чем в наружном атмосферном воздухе.
Пребывание человека в такой среде может быть
крайне опасным для здоровья. В этих условиях зада-
чей вентиляции является обеспечение в местах дли-
тельного пребывания людей такого состава воздуш-
ной среды, который не оказывал бы вредного дей-
ствия на их здоровье и не нарушал бы нормального
самочувствия. Любое изменение газодинамических
параметров в одной или нескольких выработках в той
или иной степени сказывается на характере газовой
обстановки во всей вентиляционной системе.
Смесь газов и паров, заполняющих горные выра-
ботки, принято называть рудничным воздухом. По-
ступающий в шахту атмосферный воздух изменяет
свой количественный и качественный состав. Умень-
шается содержание кислорода, увеличивается содер-
жание углекислого газа, азота и других газов, образу-
ющихся при выполнении буровзрывных операций,
при работе двигателей внутреннего сгорания, при
окислительных процессах, а также выделяющихся из
окружающего массива. Кроме того, рудничный воздух
обычно содержит значительное количество пыли,
дыма, копоти и других механических примесей. Всё
это значительно усложняет расчёт необходимого ко-
личества воздуха и аэродинамическое управление
газовым режимом, предъявляя повышенные требова-
ния к выбору и реализации оптимальных вариантов
проветривания как для каждого объекта вентиляции,
так и для шахты в целом.
Вентиляционная сеть представляет собой систему,
состоящую из вентиляторов и связанных друг с дру-
гом горных выработок разной формы, сечения и дли-
ны, основное назначение которых, помимо решения
технологических задач, обеспечить требуемый обмен
воздушной среды в подземных горных выработках с
наружным атмосферным воздухом. Вентиляционная
система обычно находится в квазистационарном со-
стоянии. При пожарах, разрушении вентиляционных
сооружений, термодинамических и аэродинамических
возмущениях система проветривания может перейти в
нестационарное состояние.
Способность вентиляционной системы обеспечить
необходимый режим проветривания в нормальных и
аварийных условиях характеризует степень её надеж-
В
1 2016
139
ности и зависит от умения находить правильные ре-
шения при управлении распределением воздушных
потоков в условиях производства.
Вентиляционные сети могут быть представлены в
виде вентиляционного плана или расчётной аэроди-
намической схемы. Для ее построения необходимо
выполнение анемометрической и депрессионных съе-
мок, по результатам которых формируется база дан-
ных к расчетной вентиляционной схеме.
Решение вентиляционных задач по управлению
вентиляционными режимами требует задания трех
источников информации:
1) расчетных вентиляционных схем;
2) данных об аэродинамических сопротивлениях
ветвей расчетной схемы;
3) данных об источниках тяги.
Диссертационная работа посвящена исследованию
рудничной атмосферы при эксплуатации горного по-
грузочно-доставочного оборудования с ДВС для обес-
печения безопасности горных работ.
Перемещение воздушных потоков, обусловленное
природными факторами, в условиях экстремального
изменения температурных параметров атмосферного
воздуха, как правило, приводит к негативным послед-
ствиям в организации проветривания подземных вы-
работок. При нагнетательном способе подачи воздуха
естественная тяга будет препятствовать работе глав-
ных вентиляторов, уменьшая количество поступаю-
щего воздуха в систему подземных выработок. В лет-
ний период при высоких положительных температу-
рах воздуха, поступающего в рудник, картина обрат-
ная.
При всасывающей схеме проветривания, когда ос-
новная масса воздуха проходит по системе подземных
выработок, не следует ожидать особого прогрева воз-
душной среды и окружающего массива на вышеле-
жащий горизонт. Поэтому накопление тепла как в
атмосфере рудника, так и в породном массиве будет
происходить медленно.
Исследования показали, что рост депрессии есте-
ственной тяги при всасывающем способе проветрива-
ния будет способствовать в экстремальных условиях
дополнительному притоку низкотемпературного воз-
духа в систему подземных выработок, что может ска-
заться негативно на организации ведения технологи-
ческого процесса. Для этих условий предлагается, с
целью блокирования или уменьшения негативного
влияния естественной тяги на проветривание рудника,
устанавливать в местах поступления холодных воз-
душных масс малогабаритные вентиляторы, работа-
ющие по схеме встречного взаимодействия струй.
При переходе на нагнетательную схему проветри-
вания в зимних условиях накопленного тепла может
оказаться недостаточно для обеспечения требуемых
температурных параметров на рабочих горизонтах. В
условиях низких отрицательных температур возможно
поступление холодных масс воздуха и на нижележа-
щие горизонты.
Исследования показали, что переход на нагнета-
тельную схему проветривания в условиях низких от-
рицательных температур атмосферного воздуха воз-
можно негативное влияние естественной тяги на из-
менение направления движения воздушного потока на
выходе из порталов, с опрокидыванием воздушных
струй.
При работе машин с двигателями внутреннего
сгорания (ДВС) в подземных выработках отработав-
шие газы выделяются непосредственно на рабочих
местах, вынос газов на исходящую струю в между-
сменный перерыв, как это происходит при взрывных
работах, практически не осуществим. По этой при-
чине определение необходимого количества воздуха
для обеспечения ПДК на рабочих местах является
основной и наиболее сложной задачей при работе
самоходных машин с ДВС в горных выработках.
Количество воздуха, необходимое для проветри-
вания всей шахты, горизонтов, отдельных участков
должно определяться по наибольшему количеству
людей, занятых одновременно на подземных работах;
по углекислоте; по ядовитым и взрывоопасным газам,
пыли; по газам от взрывных работ, по вредным ком-
понентам выхлопных газов от применяемого оборудо-
вания с двигателями внутреннего сгорания, а также по
минимальной скорости движения воздуха.
При эксплуатации погрузочно-доставочных ма-
шин (ПДМ) с дизельным приводом необходимо, с
одной стороны, ориентироваться на нормированные
расходы воздуха, подаваемого для вентиляции выра-
боток (не менее 5 м3/(л.с.∙мин), а с другой стороны –
исходить из реальных значений воздуха, подаваемого
на проветривание конкретной горной выработки. Счи-
тая, что основным критерием применимости конкрет-
ного типа ПДМ в подземных условиях является со-
держание в рудничной атмосфере вредных компонен-
тов, не превышающих значения предельно-
допустимых концентраций (ПДК), можно решать
обратную задачу, а именно: исходя из содержания
вредных компонентов в отработавших газах дизель-
ных двигателей ПДМ, площади сечения выработки и
скорости движения воздушного потока, определять
количество ПДМ, которые могут работать в данной
рабочей зоне.
Исследования показали, что расчетное количество
подаваемого воздуха в выработку для разбавления
отработавших газов дизельных двигателей ПДМ зна-
чительно отличается от количества воздуха, который
требуется подавать в выработку согласно нормативам.
Следовательно, необходим индивидуальный подход к
расчету количества воздуха для проветривания рудни-
ка с учетом выделяемых объемов выхлопных газов
ПДМ, что позволит уменьшить количество воздуха,
подаваемого для проветривания рудника, и значи-
тельно сократить расход электроэнергии на проветри-
вание.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Левицкий Ж.Г. Шахтные вентиляционные сети. Караганда: Изд-во КарГТУ, 2012. 209 с.
2.
Требования промышленной безопасности при ведении работ подземным способом / Приказ Министра ЧС РК № 132 от
13 июля 2008 года.
140
Труды университета
Научные сообщения
УДК 004.942
Реализация математической модели
элементов электромагнитной подъемной
установки в конечно-элементном анализе
А.А. АЙКЕЕВА
1
, к.т.н., доцент,
Б.А. ЖАУТИКОВ
2
, д.т.н., профессор, первый проректор,
К.С. РОГОВАЯ
1
, магистрант,
П.А. МУХТАРОВА
3
, студентка,
А.Е. ОСПАНОВ
4
, студент,
1
Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова,
2
Атырауский государственный университет им. Х. Досмухамедова,
3
Азиатский тихоокеанский университет инноваций и технологий, г. Куала-Лумпур, Малайзия,
4
Карагандинский государственный технический университет
Ключевые слова: электромагнитная подъемная установка, математическое моделирование, двумерное
поле, электромагнитное поле, метод конечных элементов.
ункцией конструкции скипов шахтных и карьер-
ных электромагнитных подъемных установок
является поддержание заданной формы. Это гаранти-
рует соответствие конструкции скипа проектным па-
раметрам и, следовательно, ее работоспособность при
проявлении жесткостных характеристик под воздей-
ствием статических и динамических нагрузок. Харак-
тер и величина статических и динамических нагрузок
на корпус скипа различны и изменяются в очень ши-
роких пределах. Нагружение корпуса скипа происхо-
дит в условиях его взаимодействия с загружаемой
массой полезного ископаемого, руды или породы.
Поэтому величина усилий определяется не только
проявлениями внешних статических и динамических
нагрузок, но и параметрами конструкции скипа:
–
его жесткостью на изгиб, сжатие и кручение,
–
условиями контакта с загружаемым грузом,
–
наличием и расположением узлов податливости
(узловые стыки, проемы и т.п.).
Шахтные и карьерные подъемные установки, от
технического состояния которых зависит нормальное
функционирование технологических процессов, отно-
сятся к классу горных машин с высокой интенсивно-
стью использования.
Для повышения надежности и рационального ис-
пользования материала конструкции, снижения
удельных расходов на подъем угля, руды или породы
особую актуальность приобретает создание систем-
ных методов расчета. Это требует разработки мето-
дов, позволяющих исследовать работоспособность
скипа с учетом влияния остаточных напряжений и
деформаций конструкций.
Основными факторами, влияющими на несущую
способность конструкций скипов шахтных и карьер-
ных скиповых электромагнитных подъемных устано-
вок, являются материал и форма усиления рабочих
поверхностей.
Основными зонами разрушений являются поверх-
ности, подверженные динамическим и статическим
нагрузкам при загрузке, разгрузке полезного ископае-
мого, а также реакциям электромагнитного поля элек-
тромагнитов направляющих устройств в направлении
корпуса скипа – радиальным усилиям.
В настоящее время электромагнитные задачи для
электротехнических устройств со сложной геометрией
как внешних, так и внутренних границ, наличием
достаточного количества подобластей модели устрой-
ства с различными магнитными и проводящими свой-
ствами решаются численными, как правило, проекци-
онно-сеточными методами, к которым относится и
метод конечных элементов как модификация проек-
ционных методов (Ритца, Галеркина и т.д.). Суть про-
екционных методов состоит в попытке аппроксимиро-
вать решение дифференциального уравнения конеч-
ной линейной комбинацией базисных (пробных)
функций (функций формы), т.е. в том, чтобы найти
«проекцию» или приближенное решение в конечно-
мерном пространстве для непрерывного решения в
бесконечномерном функциональном пространстве.
Форма базисной функции и критерий вычисления
коэффициентов линейной комбинации определяют
проекционный метод [1].
Дискретная модель непрерывной области строится
следующим образом.
1.
В области моделирования фиксируется конеч-
ное число точек. Эти точки называются узлами рас-
четной сети, которой покрывается область моделиро-
вания.
2.
Значение непрерывной величины в каждой уз-
ловой точке считается переменной, которая и опреде-
ляется.
3.
Область моделирования непрерывной величины
разбивается на конечное число подобластей, называе-
мых элементами. Эти элементы имеют общие узлы,
аппроксимируют форму области и представляют со-
бой расчетную или триангуляционную сеть.
4.
Непрерывная величина аппроксимируется на
каждом элементе полиномом, который определяется с
помощью узловых значений этой величины. Для каж-
дого элемента определяется свой полином. Они под-
Ф
1 2016
141
бираются таким образом, чтобы вдоль границ элемен-
та величина была непрерывна.
Метод конечных элементов основан на аппрокси-
мации непрерывной функции (потенциала, температу-
ры и т.д.) дискретной моделью, которая строится на
множестве кусочно-непрерывных функций, опреде-
ленных на конечном числе подобластей, которые
называются конечными элементами. В качестве функ-
ции элемента чаще всего используется полином.
Классификацию КЭ можно провести в соответствии с
порядком этих полиномов. Рассматриваются три
группы элементов: симплекс-, комплекс- и мульти-
плекс-элементы [2,3].
Классическим описанием двумерного симплекс-
элемента является треугольник с прямолинейными
сторонами и тремя узлами, по одному в каждой вер-
шине. Как правило, используется последовательная
нумерация узлов против часовой стрелки, начиная от
некоторого i-го узла, который выбирается произволь-
но. Узловые значения скалярной величины φ обозна-
чаются через Ф
i
,
Ф
j
,
Ф
k
,
а координаты трех узлов –
через (X
i
, Y
i
), (X
j
, Y
j
), (X
k
, Y
k
),
что позволяет определить
функции формы через координаты узлов расчетной
сети.
При расчете этим методом строится сеть конеч-
ных элементов: пространство, занимаемое полем,
разбивается с помощью прямых и кривых линий при
двумерной задаче, а также с помощью плоских или
кривых поверхностей при трехмерной задаче, на от-
дельные части, имеющие достаточно малые, но ко-
нечные размеры. Эти части называются конечными
элементами (рисунок 1).
1-6 –
узлы сетки; (1)-(6) – конечные элементы
Рисунок 1 – Двумерное поле, разбитое на треугольные
конечные элементы
При решении двумерной задачи конечные элемен-
ты чаще всего имеют форму треугольников или пря-
моугольников, а при трехмерной – форму параллеле-
пипедов тетраэдров, все боковые поверхности кото-
рых представляют собой треугольники. Стороны
плоских конечных элементов могут также ограничи-
ваться кривыми линиями, а наружные поверхности
объемных могут быть изогнутыми. Конечные элемен-
ты не перекрывают друг друга. Особые точки конеч-
ных элементов (в этих точках рассчитываются значе-
ния искомых параметров) называются узлами, или
узловыми точками. Узлы совпадают с вершинами
конечных элементов первого порядка. Далее для по-
яснения основной идеи метода конечных элементов,
как и в методе конечных разностей, будем иметь в
виду расчет двумерного безвихревого магнитного
поля с помощью треугольных конечных элементов
первого порядка. Каждый такой элемент имеет три
вершины-узла. Скалярный магнитный потенциал каж-
дого конечного элемента представляется в виде поли-
нома с постоянными в пределах этого элемента коэф-
фициентами. Для треугольного (i)-го элемента потен-
циал в декартовой системе координат представляется
полиномом первого порядка (линейным).
( )
( )
( )
( )
,
M i
i
i
i
a
b x
c y
φ
=
+
+
где a
(i)
, b
(i)
, c
(i)
–
пока неизвестные постоянные коэф-
фициенты.
Основная задача расчета методом конечных эле-
ментов – определить эти коэффициенты для всех ко-
нечных элементов, так как это означает возможность
расчета скалярного магнитного потенциала в любой
точке поля.
На рисунке 1 приведена модель двумерного поля,
построенного с помощью шести треугольных конеч-
ных элементов, номера которых показаны цифрами в
круглых скобках. Номера узлов (случайно их оказа-
лось тоже шесть) изображены цифрами без скобок.
Исходными данными являются известные значения
потенциалов или их градиентов на границах поля,
точнее – в узлах 1-4. Это дает дополнительные урав-
нения относительно узлов, являющихся общими у
смежных конечных элементов. Например, для узла 2
можно записать:
( )
( )
2 1
2 2
,
M
M
φ
φ
=
для узла 6:
( )
( )
( )
( )
6 1
6 2
6 3
6 6
.
M
M
M
M
φ
φ
φ
φ
=
=
=
Основные формы при формировании системы
уравнений для расчета поля методом конечных эле-
ментов можно получить разными способами: методом
минимизации некоторого функционала; методом
взвешенных невязок, например, методом Галеркина;
методом наименьших квадратов. Метод Галеркина
базируется на непосредственном дифференцировании
уравнения для скалярного магнитного потенциала, а
метод минимизации функционала – чаще всего на
принципе минимума энергии, запасенной в поле. Для
этого должно быть найдено интегральное уравнение,
выражающее запасенную в поле энергию, и продиф-
ференцировано по потенциалам в узлах. Исходные
данные, дополненные граничными условиями, и энер-
гетические зависимости приводят к системе алгебраи-
ческих уравнений, которая позволяет рассчитать ис-
комые коэффициенты полиномов всех конечных эле-
ментов. После определения φ
M
в любом узле поля
можно определить напряженность магнитного поля,
магнитную индукцию и другие параметры.
Математическим описанием непрерывных в про-
странстве и во времени процессов электромагнитного
поля в технических объектах и системах являются
142
Труды университета
Научные сообщения
дифференциальные уравнения в частных производных
(уравнения математической физики). Различают ста-
ционарные (не меняющиеся во времени) и нестацио-
нарные (переменные, меняющиеся во времени) про-
цессы. Стационарные процессы описываются эллип-
тическими уравнениями, а нестационарные – уравне-
ниями параболического и гиперболического типов [4].
Эти уравнения для электромагнитных полей отно-
сительно характеристик поля (векторов напряженно-
сти электрического и магнитного полей E и H; векто-
ров электрической и магнитной индукции D и B; век-
торного магнитного потенциала A, скалярного элек-
трического потенциала φ получают из преобразования
уравнений Максвелла.
Наиболее часто используемые эллиптические
уравнения – это уравнения Лапласа и Пуассона, кото-
рыми в теории электромагнетизма описываются задачи
электростатики и магнитостатики. Простейшим эллип-
тическим уравнением является уравнение Лапласа:
0,
u
∆ =
(1)
где лапласиан (оператор Лапласа) ∇
=
∇
2
=
∇·∇.
Этот
оператор может быть применен к скалярным и век-
торным функциям. В декартовой системе координат
уравнение Лапласа имеет вид:
2
2
2
2
2
2
2
,
x
y
z
φ
φ
φ
φ
∂
∂
∂
∇ =
+
+
∂
∂
∂
(2)
где φ ( x, y, z) – скалярная функция.
В цилиндрической системе координат оно выгля-
дит следующим образом:
2
2
2
2
2
2
1
1
0,
r
R
R
R
R
a
z
φ
φ
φ
φ
∂
∂
∂
∂
∇ = ⋅
+
⋅
+
=
∂
∂
∂
∂
(3)
где φ ( R, α, z) – скалярная функция.
К уравнениям эллиптического типа относится
уравнение Пуассона, которое для линейных изотроп-
ных ( μ
х
=
μ
y
=
μ
z
=
μ
=
const) сред имеет вид:
2
,
a
A
J
µ
∇
= −
(4)
где A – векторный магнитный потенциал;
J –
вектор плотности тока;
μ
a
=
μμ
0
–
абсолютная магнитная проницаемость
среды моделирования.
Если речь идет о нелинейных средах моделирова-
ния, т.е. μ
≠
const, то из уравнений Максвелла получим:
0
1
rot
rot A
J
µ
µ
=
(5)
или
2
0
1
1
.
A
grad
rot A
J
µ
µ
µ
− ∇
+
×
=
(6)
Вектор-потенциал A есть величина векторная и в
декартовой системе координат
,
x
y
z
A
iA
jA
k A
=
+
+
вектор плотности тока
.
x
y
z
J
iJ
jJ
kJ
=
+
+
Тогда урав-
нение Пуассона разбивается на три уравнения относи-
тельно скалярных величин А
x
,
А
y
,
А
z
.
Если в модели ЭУ принять, что ток, а следова-
тельно, и векторный магнитный потенциал имеют
только z-составляющую, то получим плоскопарал-
лельную или осесимметричную задачу. Для плоскопа-
раллельного магнитного поля в декартовой системе
координат можно записать уравнение Пуассона:
2
2
0
2
2
1
.
z
z
z
A
A
J
x
y
µ
µ
∂
∂
+
= −
∂
∂
(7)
Решив данное уравнение и зная распределение
векторного магнитного потенциала по области моде-
лирования, можно найти распределение составляю-
щих вектора магнитной индукции и результирующего
значения (модуля) вектора магнитной индукции по
выражениям:
2
2
1
; ;
.
z
z
x
y
x
y
A
A
B
B
B
B
B
y
x
∂
∂
=
= −
=
+
∂
∂
(8)
Для того чтобы уравнения Лапласа-Пуассона име-
ли единственное решение, они дополняются гранич-
ными (краевыми) условиями. На замкнутой границе Г
модели ЭУ могут быть заданы следующие краевые
условия.
1.
Граничные условия первого рода (Дирихле) – на
границе Г задается значение искомой функции, т.е.
φ
=
f
1
( x,
y,
z
), где точки с декартовыми координатами
( x,
y,
z
) принадлежат границе Г. Условие φ
=
0 является
однородным.
2.
Граничные условия второго рода (Неймана).
Для них задается изменение искомой функции по
нормали n к границе Г, т.е dφ/dn
=
f
2
( x,
y,
z
), где точки с
координатами ( x,
y,
z)
принадлежат границе Г. Условие
dφ/ dn
=
0 является однородным.
3.
Граничные условия третьего рода dφ/dn
+
f
3
(
φ)
=
=
f
4
( x,
y,
z
), где точки с координатами ( x,
y,
z
) принад-
лежат границе Г.
На границе модели могут быть заданы смешанные
краевые условия, т.е. сочетание вышеприведенных –
первого, второго и третьего рода.
Данная статья написана на основании результатов
исследований, выполняемых в рамках грантового
финансирования МОН РК по подприоритету «Техно-
логии разработки полезных ископаемых», по теме
«Обоснование и разработка энергосберегающей тех-
нологии выемки горной массы путем создания элек-
тромагнитной подъемной установки» № 2684/ГФЗ, а
также по приоритету «Энергетика и машиностроение»
по теме «Разработка системы автоматического управ-
ления и комплексной защиты энергосберегающей
электромагнитной подъемной установки» №0686/ГФ4.
Достарыңызбен бөлісу: |