Обоснование параметров системы управления движением роторного исполнительного органа щитового тоннелепроходческого комплекса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат наук Будников, Вадим Борисович

• Будников, Вадим Борисович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Будников, Вадим Борисович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ АКТУАЛЬНОСТИ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Краткий обзор развития щитовых проходческих комплексов

1.2. Анализ современного состояния щитовой проходческой техники

1.3. Анализ средств управления направлением движения щитового ТПК

1.4. Выводы. Постановка цели и задач работы

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

2.1. Анализ процесса движения роторного исполнительного органа

2.2. Математическое описание процесса движения исполнительного органа

2.3. Учет прочностных характеристик горного массива

2.4. Получение координат состояния объекта управления

2.5. Выводы

3. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ СИНТЕЗА И ВЫЧИСЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАКОНА УПРАВЛЕНИЯ

3.1. Теория аналитического конструирования оптимальных регуляторов

3.2. Методика синтеза и вычисления параметров закона управления

3.3. Устойчивость системы управления

3.4. Выводы

4. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ОРГАНОМ ЩИТОВОГО ТПК

4.1. Синтез системы управления

4.2. Исследование синтезированной системы управления

4.3. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1. Акт внедрения

Приложение 2. Патент на изобретение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров системы управления движением роторного исполнительного органа щитового тоннелепроходческого комплекса»

ВВЕДЕНИЕ

Ускорение темпов роста объёмов строительства и освоения подземного пространства обуславливают необходимость повышения точности прокладки тоннелей и инженерных коммуникаций в условиях плотной городской застройки. В значительной степени этим требованиям удовлетворяют щитовые тоннелепроходческие комплексы (ТПК) с исполнительным органом роторного типа, позволяющие безопасно прокладывать тоннели на большие расстояния под горными массивами, морскими заливами и реками, зданиями и сооружениями, а высокотехнологичные высокоточные приборы позволяют осуществлять ведение щита к цели по заданной траектории. Однако отсутствие научно обоснованных методик по выбору параметров высокоточных систем управления движением исполнительных органов таких машин, обеспечивающих достижение высокой точности соблюдения траектории движения с учетом особенностей горногеологических условий при проходке, не позволяет использовать весь их потенциал и ограничивает область применения, что определяет актуальность данной диссертации.

Целью работы является обоснование параметров системы управления движением роторного исполнительного органа щитового тоннелепроходческого комплекса, обеспечивающей высокую точность прохождения тоннеля по заданной трассе в породах с различными прочностными свойствами.

Идея работы заключается в том, что точность прохождения тоннеля по заданной трассе щитовым тоннелепроходческим комплексом достигается реализацией системы управления, построенной на основании теории аналитического конструирования оптимальных регуляторов.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является система управления движением роторного исполнительного органа щитового механизированного тоннелепроходческого комплекса.

Предметом исследования является функционирование системы управления движением исполнительного органа роторного типа щитового ТПК.

Научная новизна исследования:

- разработано математическое описание движения роторного исполнительного органа во взаимодействии с породным массивом, позволяющее рассматривать его перемещение раздельно в нескольких каналах управления;

- на основании теории аналитического конструирования оптимальных регуляторов обоснована методика синтеза и вычисления параметров закона управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК, обеспечивающего высокую точность проходки в породах с различными прочностными свойствами;

- установлены зависимости времени переходных процессов от массы и диаметра исполнительного органа, а также крепости горных пород, обеспечивающие обоснование параметров системы управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК.

Практическая значимость работы

Предложена методика конструирования закона управления движением роторного исполнительного органа щитовых ТПК, обеспечивающего проходку тоннеля с высокой точностью повторения заданной траектории при различных прочностных свойствах горных пород.

Положения, выносимые на защиту:

- движение роторного исполнительного органа щитового ТПК описывается предложенной математической моделью, учитывающей прочностные свойства горных пород, конструктивные параметры комплекса и позволяющей рассматривать его в нескольких каналах управления;

- методика синтеза и определения параметров закона управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК, учитывающего конструктивные параметры исполнительного органа и крепость горных пород и позволяющая рассматривать движение комплекса в нескольких каналах управления;

- применение разработанного закона управления движением роторного исполнительного органа щитового ТПК позволяет осуществлять ведение щитового ТПК с высокой точностью и не накладывает дополнительных требований и ограничений на траекторию проходки;

- зависимости времени переходных процессов от конструктивных параметров исполнительного органа и крепости горных пород, характеризующие работу системы управления.

Степень достоверности исследований

Достоверность исследований подтверждается тем, что при составлении математической модели и обосновании методики синтеза закона управления были использованы признанные научным сообществом законы физики, механики и теории автоматического управления, проверенные многолетней практикой применения при решении широкого круга задач.

Имитационные эксперименты проводились в среде моделирования, признанной во всем мире как одно из лучших средств для выполнения разного рода вычислений, компьютерного моделирования, визуализации и представления результатов. Точность вычислений при моделировании - 4 знака после запятой.

Апробация и внедрение результатов работы

Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на VIII Всероссийской научно-технической конференции «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» (Тула, 2009 г.), на ежегодных V и VII Региональных научно-практических конференциях Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (Тула, 2011 г. и 2013 г.), на VI Всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими объектами» (Тула, 2013 г.).

Результаты проведенных исследований легли в основу патента на изобретение «Способ управления щитом тоннелепроходческого комплекса и следящая система для его реализации» (заявка №2012131918 от 26.07.2012), по которому 01.10.2013 Федеральной службой по интеллектуальной собственности (Роспатент) было принято положительное решение о выдаче патента.

Предложенная и обоснованная в работе методика используется на ООО «СпецПодземСтрой» (г.Тула) при совершенствовании и разработке систем управления используемых проходческих комплексов.

Результаты исследований использовались в научно-исследовательской работе по государственному контракту 02.740.11.0477: «Создание энергосберегающей оптимальной системы управления электроприводом для промышленных объектов и объектов спецтехники».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 статей, 2 из них - в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 130 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и список использованной литературы из 105 наименований.

1. АНАЛИЗ АКТУАЛЬНОСТИ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Краткий обзор развития щитовых проходческих комплексов

Изобретение щита, ознаменовавшее подлинную техническую революцию в области сооружения тоннелей, принадлежит английскому инженеру Марку Изанбару Брюнелю. В 1814 г. Брюнелем была высказана идея создания «механизированного червя» с вращающимся диском, имеющим винтовую поверхность и радиальный нож для резания породы. Цилиндрический щит, предугадывавший основные черты современных щитов, включая и способ их передвижки при помощи гидравлических домкратов, отталкивающихся от сооружаемой постоянной крепи, был запатентован Брюнелем в 1818 г. в Англии. Изобретение щита возникло при решении задачи сооружения подводных тоннелей, и первый щит разрабатывался Брюнелем по заказу России для устройства постоянно действующей переправы через Неву в Санкт-Петербурге. Однако проект щита был переработан применительно к условиям строительства тоннеля под Темзой в Лондоне. Щит, имевший прямоугольное сечение 11,3x6,7 м, начал работать в 1825 г. на строительстве тоннеля с крепью из кирпичной кладки, и при его внедрении был встречен целый ряд трудностей. Практически щиты получили признание после придания им цилиндрической формы и использования на строительстве тоннелей с крепью из чугунных тюбингов. Эти работы были осуществлены в 1869 г. Берлоу и Грейтхедом в Англии и Бичем в США. [21]

Первые образцы проходческих щитов (рисунок 1.1) освещались масляными лампами, по щиту передвигались конные экипажи. Для вентиляции предусматривались отдушины, ведущие к поверхности земли. Разработка породы в забое и ее погрузка, возведение крепи осуществлялись вручную. Перемещение щита осуществлялось при помощи винтовых домкратов.

Рисунок 1.1. Общий вид одного из первых проходческих щитов

Дальнейшее развитие щитовой техники шло по линии оснащения: исполнительными органами для механизированной разработки различных пород с учетом их физико-механических свойств, устройствами для механизированного возведения крепи и погрузки породы в транспортные средства, навигационными приборами, а также путем увеличения энерговооруженности механизмов, повышения давления в гидросистемах щитовых домкратов и совершенствования конструкции корпуса щита. Все это привело к созданию современных механизированных проходческих щитов и комплексов. [26]

На механизированных щитах часто устанавливаются исполнительные органы, аналогичные исполнительным органам проходческих комбайнов, поэтому их развитие с самого начала шло параллельно.

Опыт работы щитовой тоннелепроходческой машины (Англия, 1897 г.) с исполнительным органом в виде вращающейся металлической конструкции с резцами и центральным коническим забурником; проходческих комбайнов с исполнительным органом планетарного действия (Англия, 1864 г.) и фирмы «Батя» (ЧССР, 1942 г.); комбайна Чихачева (Россия, 1935 г.) с роторным исполнительным органом, разрушающим забой путем прорезания глубоких щелей и обламывания остающихся между ними целиков; проходческих комбайнов с исполнительным органом с резцовой коронкой на стреле ДГИ-У и ПК-3 (Россия, 1955 г.); тоннелепроходческих роторных машин с шарошечным породоразрушающим инструментом, созданных в шестидесятые годы фирмами

«Роббинс», «Мэрфи» (США), «Демаг» (ФРГ) и многих других был использован при создании целого ряда механизированных щитов.

В 1897 г. в Англии был применен первый механизированный щит Прейса, роторный рабочий орган которого, выполненный в виде шестилучевой крестовины с ножами для разработки забоя и ковшами для подборки породы, подавался на забой вместе с корпусом щита.

В России щиты впервые были применены в 1934 г. на первой очереди строительства Московского метрополитена, а на второй очереди в 1936 г. работало уже одновременно 30 перегонных и 12 станционных щитов. В пятидесятые годы были созданы более совершенные механизированные щиты с планетарным исполнительным органом типа Ленинградский, а также с роторным исполнительным органом типа Киевский.

В России на строительстве городских коллекторных тоннелей и в промышленном строительстве щиты начали применять в 1938 г., а в угольной промышленности - в 1953 г.

В 1936 г. в щите Варганова (Россия) впервые была осуществлена независимая подача исполнительного органа на забой гидравлическими домкратами без подачи корпуса щита.

В шестидесятые годы в развитии конструкции механизированных щитов был достигнут большой технический прогресс: для исполнительного органа начал применяться гидропривод, а затем электропривод на постоянном токе, что позволило регулировать частоту вращения исполнительных органов, а создание многомоторного привода одновременно повысило их энерговооруженность. В начале семидесятых годов исполнительные органы щитов стали оснащаться шарошечным инструментом для разрушения крепких пород. Тогда же были созданы щиты с горизонтальными площадками, позволившие отказаться от применения временной шандорной крепи забоя при проходке тоннелей в песках, и проходческие комплексы для сооружения тоннелей с монолитно-прессованной бетонной крепью и сборной крепью, обжатой в породу. Успешное внедрение щитов с горизонтальными площадками для строительства тоннелей сравнительно

большого сечения началось в 1963 г. после проведения в России и за рубежом больших научно-исследовательских и конструкторских работ.

Щитовой способ сооружения тоннелей с монолитнопрессованной бетонной крепью также был известен давно. Еще в начале XX в. немецкой фирмой «Галлингера» было построено несколько таких тоннелей малых размеров. Однако новый способ, требовавший механизированную подачу бетонной смеси и совершенное щитовое оборудование, опережал имеющиеся технические возможности и не нашел тогда широкого применения.

Дальнейшее развитие этот способ получил в конце пятидесятых годов. На строительстве Сионского гидроузла в Грузии был применен агрегат Гиндина-Словинского («ГИС») с телескопической оболочкой, которым было построено 86 м тоннеля внутренним диаметром 2,9 м в плотных глинах. В дальнейшем этот агрегат не нашел применения, но полученный опыт имел положительное значение для развития этого способа.

Промышленное освоение технологии сооружения тоннелей с монолитно-прессованной бетонной крепью было осуществлено в 1965 г. на строительстве тоннеля-коллектора под р. Неглинкой в Москве и тоннелей метрополитена в Тбилиси и Москве щитовым оборудованием, разработанным институтом Метрогипротранс.

Щитовое оборудование для строительства тоннелей со сборной крепью, обжатой в породу, впервые было широко применено на строительстве линии «Виктория» лондонского метрополитена, а затем на строительстве коллекторных тоннелей в Киеве и метрополитена в Санкт-Петербурге.

В ходе развития щитовой техники всегда большое внимание уделялось созданию и совершенствованию щитов для строительства тоннелей в сложных условиях под гидростатическим давлением.

Первая проходка тоннеля щитом с уравновешиванием гидростатического давления сжатым воздухом была осуществлена Грейтхедом (Лондон, 1886 г.). В 1933 г. при строительстве подводного тоннеля под р. Дунаем около Будапешта был успешно применен щит Галлингера с «закрытой грудью», исполнительный

орган которого представлял собой шаровой сектор с ножами, совершавший колебательные движения. В условиях водоносных грунтов щит применялся в сочетании со сжатым воздухом.

В дальнейшем развитие щитовой техники для подобных условий пошло по линии создания герметических щитов с гидравлической пригрузочной камерой для уравновешивания гидростатического давления в забое (Россия, Япония, Англия) и щитов с призабойной кессонной камерой (Франция, США, ФРГ, Россия), исключающей необходимость нахождения людей в зоне повышенного давления сжатого воздуха.

В 1972-1974 гг. в Японии под дном Токийского залива было успешно осуществлено строительство тоннеля диаметром 7,02 м щитом с гидравлической пригрузочной камерой. Ранее, в первой половине шестидесятых годов, фирмами «Кампенон Бернард» (Франция) и «Роббинс» (США) были созданы щиты с призабойной кессонной камерой.

Начиная с 80-х годов успешно ведутся работы по созданию и широкому практическому применению щитовых машин с шарнирным корпусом; стыкующихся и крутящихся щитовых машин; поворотных и других типов машин.

История развития щитовой техники - это история превращения первых щитов с паровыми машинами в качестве приводов и винтовыми домкратами для передвижения в современные щитовые машины, иногда включающие механизмы мощностью сотни киловатт для разработки породы забоя; щитовые домкраты с суммарным усилием, исчисляемым тысячами тонн; механизмы, обеспечивающие индустриальные методы возведения постоянной крепи, и лазерные цифровые устройства контроля направленным ведением щитов по трассе тоннеля.

1.2. Анализ современного состояния щитовой проходческой техники

В последнее десятилетие создано значительное число новых механизированных проходческих щитовых комплексов, в основном зарубежными фирмами, с различными типами исполнительных органов для строительства тоннелей в разных горно-геологических условиях.

Признанными лидерами в области создания щитовой проходческой техники являются фирмы «Херренкнехт» (Германия); «Ловат» (Канада); «Альпине Вестфалия» (Австрия); «Framatone Mechanical Engineering», «Fives-Cail Babcock» и «C.S. Bessac» (Франция), «Мицубиси», «Ишикавадзима-Харима», «Кавасаки» и «Хитачи» (Япония) и др. Этими же фирмами предлагаются инженерные услуги по оптимальной подготовке проекта, организации управления стройплощадкой и с самого начала сопровождение строительства тоннеля.

Среди отечественных компаний можно выделить Ясиноватский машиностроительный завод, Скуратовский экспериментальный заводов и Копейский машиностроительный завод.

Большой вклад развитие щитовой техники сделали такие российские ученые как Клорикьян В.Х., Самойлов В.П., Бреннер В.А., Жабин А.Б., Поляковы Ан.В. и Ал.В., Антиповы В.В. и Ю.В., Наумов И.Н.

Рассмотрим классификацию, принцип работы и основные конструктивные элементы проходческих комплексов. [21]

С помощью щитового проходческого комплекса осуществляют следующие основные операции: разрушение забоя, уборку породы, передвижку щита щитовыми домкратами, обратный ход щитовых домкратов и возведение постоянной крепи.

Щитовые проходческие комплексы применяют в большом диапазоне горно-геологических условий и разделяют на две основные группы:[49]

1) для проведения коллекторов и тоннелей в сложных горно-геологических условиях. В этом случае проведение выработок ведется с искусственным упрочнением пород в забое. Наиболее широкое распространение получили следующие способы: проведение выработок под сжатым воздухом - кессонный способ, тампонирование растворами бетонитовой глины - гидропригруз, упрочнение активизирующими добавками - грунтопригруз;

2) для проведения тоннелей и других капитальных выработок в устойчивых грунтах с коэффициентом крепости /от 0,5 до 3 и более.

При этом щитовые проходческие комплексы должны удовлетворять следующим требованиям:

- иметь исполнительный орган для разрушения пород, встречающихся при проходке;

- предусматривать возможность удаления валунов;

- их погрузочные органы должны нормально работать как в песчаных, так и в глинистых грунтах, как в сухих, так и в обводненных;

- размеры щитов и их узлов должны допускать перевозку на поверхности средствами автомобильного или железнодорожного транспорта.

Щитовые комплексы имеют следующие особенности: обеспечивают безопасность работ; скорость проведения выработок при их применении повышается в 3-4 раза по сравнению с ручным способом; механизируют возведение постоянной крепи. Кроме того, комплексы обеспечивают организацию работ в призабойной зоне, позволяют максимально механизировать и совместить во времени несколько проходческих операций, благодаря чему увеличивается коэффициент использования механизмов.

Комплексы классифицируются по диаметру щита: малого, среднего и большого. Комплексы со щитом диаметром 3200 мм и выше имеют двухпутную передвижную платформу, что влияет на их производительность. Большое влияние также на параметры и конструкцию комплекса оказывает вид крепи тоннеля. По этому признаку они подразделяются на комплексы для строительства тоннелей со сборной крепью и комплексы для строительства тоннелей с монолитной крепью. Комплексы для строительства тоннелей со сборной крепью имеют крепеукладчик, вмонтированный в щите или установленный на отдельной конструкции.

При применении сборной железобетонной нормальной блочной или тюбинговой крепи щит передвигается вперед, опираясь своими щитовыми домкратами на торец последнего собранного кольца крени. При применении облегченной металлической, бетонной или асбоцементной крепи щитовые домкраты опираются на специальное устройство, распираемое в стены выработки и обеспечивающее достаточное осевое усилие для передвижки щита. После

передвижки щита и уборки щитовых домкратов устройство освобождается от распора и специальными домкратами подтягивается к щиту.

Сплошная бетонная крепь применяется нескольких видов: монолитно-прессованная, обычная монолитная или железобетонная. Прессование бетона производится пресс-кольцом, опирающимся на щитовые домкраты или на распорное устройство.

Большое влияние на конструкцию комплекса оказывает тип средств транспорта породы и материалов по тоннелю. Преимущественно применяется транспортирование породы в вагонетках или бадьях. В этом случае комплекс имеет передвижную платформу, на которой монтируется перегрузочный конвейер для подачи породы в вагонетки или бадьи, оборудование для тампонажных работ, электрооборудование, гидравлическое оборудование и др.

При строительстве тоннелей с монолитно-прессованной крепью на передвижной платформе устанавливаются также пневмобетоноподатчики и ресиверы. Оборудование для тампонажных работ отсутствует.

Проходческие щиты являются главной частью щитового проходческого комплекса и представляют собой подвижную механизированную крепь, предназначены для защиты зоны проходческих работ от обрушения забоя на период от его разработки до возведения постоянной крепи тоннеля. Применение проходческих щитов при строительстве тоннелей позволяет исключить необходимость в возведении временной крепи, используемой при горном способе работ, сократить до минимума время между раскрытием выработки и возведением постоянной крепи и тем самым предотвратить полное развитие горного давления.

Основными частями щита являются ножевое и опорное кольца или единое ножеопорное кольцо, оболочка, горизонтальные и вертикальные перегородки, выдвижные рабочие платформы, домкраты (щитовые, управляющие (артикуляционные), забойные и платформенные), механизм для возведения крепи (в щитах малых и средних диаметров), механизм для погрузки породы, система

гидрокоммуникаций с гидравлической аппаратурой управления и гидронасосными установками и электрооборудованием.

Общий вид проходческого комплекса приведен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2. Проходческий комплекс: 1 — штанговый исполнительный орган; 2 - ножевая часть щита; 3 - корпус щита;

4 - домкрат передвижки; 5 - вагонетка; 6 - блоковозка; 7 — обделка тоннеля;

8 — технологическая платформа; 9 - ленточный конвейер; 10 - блокоукладчик;

11- пластинчатый (скребковый) конвейер; 12 - погрузочное устройство

Механизированные щиты вместо выдвижных рабочих платформ и забойных домкратов имеют исполнительный орган для разработки забоя и средства для выдачи породы за пределы щита.

В настоящее время не существует однозначной классификации проходческих щитов. Так, проходческие щиты можно классифицировать по области применения и горно-геологическим условиям строительства тоннеля, назначению строящегося тоннеля и размерам поперечного сечения проходимой выработки, степени механизации разработки забоя, погрузки породы и крепления тоннеля, типу исполнительного органа для разработки породы в забое, способу погрузки породы или типу погрузочного органа, типу механизма для возведения крепи тоннеля и способу передвижки.

Кроме того, в настоящее время существует достаточно много щитов некруглой формы, поэтому при классификации необходимо рассматривать и этот признак, а также учитывать конструктивные особенности корпуса щита. Следует отметить, что конструкция щита не определяется назначением строящегося

тоннеля, и поэтому при классификации нет необходимости принимать во внимание и этот признак.

Целесообразно щиты классифицировать по двум группам признаков: основным - определяющим область их применения, и вспомогательным — определяющим конструктивно-технологические схемы функциональных элементов щитов.

По области применения различают щиты для проведения выработок:

- в неустойчивых (сыпучих) и малоустойчивых грунтах;

- в плывунах с гидростатическим давлением, т.е. обводненных породах, требующих применения таких специальных способов, которые оказывают влияние на конструкцию щита;

- в устойчивых песчано-глинистых и других грунтах и породах с коэффициентом крепости/по шкале проф. М.М. Протодьяконова от 0,5 до 5-6;

- в породах с/> 6.

При сооружении тоннелей в неустойчивых водонасыщенных грунтах нашли широкое применение проходческие щиты с грунтопригрузом. При работе такого щита (рисунок 1.3) режущий инструмент исполнительного органа 1 разрабатывает грунт забоя, он поступает сквозь отверстия в нем в рабочую камеру 2, здесь он смешивается с уже заготовленной пластической массой из грунта. Усилие проходческих домкратов 4 передается стенкой 3 на пластифицированный грунт, тем самым препятствуя неконтролируемому проникновению грунта из забоя в рабочую камеру. Из рабочей камеры, находящейся под давлением, отработанный грунт подается по шнековому транспортеру 5 в тоннель, давление в котором равно атмосферному. Непосредственно позади щита с помощью эректора (блокоукладчика) б возводятся кольца тоннеля из тюбинговых элементов 7. [47]

В плывунных неустойчивых грунтах, при значительном давлении грунтовых вод, при недопустимости даже незначительных просадок поверхности используются проходческие щиты с гидропригрузом (рисунок. 1.4). Здесь принцип работы щита заключается в следующем. За исполнительным органом 1 с резцами и шарошками находится стальная труба - щит 2. Под его защитой

осуществляется проходка тоннеля. Пространство перед кессонной стенкой 3 заполняется тиксотропным раствором (бентонитовой суспензией), который уплотняет грунтовый массив. Необходимое для поддержания лба забоя избыточное давление создается воздушным пузырем 4 за полупогружной стенкой 5 разделенной рабочей камеры. Разработанный грунт откачивается вместе с суспензией в транспортный трубопровод 6. Более крупные скальные куски размельчает камнедробилка 7. Восстановленная суспензия опять возвращается через питающий трубопровод 8. Под защитой оболочки щита с помощью блокоукладчика 10 устанавливаются блоки 9 из железобетона. Чтобы осуществлять проходку вперед, машина отталкивается с помощью гидравлических домкратов 11 от последнего смонтированного кольца. Зазор между блоками и грунтом непрерывно заполняется раствором. С пульта управления контролируются все рабочие процессы. [46]

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Будников, Вадим Борисович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. URL: http://www.herrenknecht.com/en/products/core-products/tunnelling-pipelines.html

2. A.c. 1073455 СССР, МКИЗ Е 21 С 35/24. Система управления движением проходческого щита [Текст] / Загороднюк В.Т., Глебов H.A., Вершинин А.Н. -№ 3565899/22-03; заявл. 21.07.82; опубл. 15.02.84, Бюл. №6.-5 с.

3. A.c. 1122823 СССР, МКИЗ Е 21 С 35/24. Система автоматического ведения горнопроходческого щита [Текст] / Загороднюк В.Т., Глебов H.A., Захаров Ю.В., Власов С.Н., Козелев В.А. - № 3474342/22-03; заявл. 17.03.83; опубл. 07.11.84, Бюл. №41.-15 с.

4. A.c. 1599537 СССР, МКИЗ Е 21 С 35/24. Система автоматического управления движением коллекторного проходческого щита [Текст] / Глебов H.A., Захаров Ю.В., Сивашинский Р.Г. - № 4446833/31-03; заявл. 04.05.88; опубл. 15.10.90, Бюл. № 38. - 5 с.

5. A.c. 2041353 РФ, МКИЗ Е 21 С 35/24. Способ управления горной машиной [Текст] / Ананьев А.К., Ананьев К.А., Гвоздев A.B., Коломийцов М.Д., Михальченко A.A. - № 4624843/03; заявл. 31.10.88; опубл. 09.08.95, Бюл. № 24.- 18 с.

6. A.c. 2206751 РФ, МКИЗ Е 21 С 35/24. Система автоматического управления механизмами передвижения щита и возведения крепи тоннелепроходческого комплекса [Текст] / Глебов H.A., Мирошников Ю.Н., Нырков Б.Е., Притчин С.Б., Сенько А.Р. - № 2001128576/03; заявл. 22.10.2001; опубл. 20.06.2003. -8 с.

7. Абдулаев Н.Д., Петров Ю.П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов [Текст]. — Л: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с.

8. Аверин С.И., Садовой A.B., Сухинин Б.В. Системы управления следящими приводами антенных установок [Текст]. — М.: Высшая школа, 1989. - 256 с.

9. Айзенберг Г.Б., Воронков И.М., Осецкий В.М. Руководство к решению задач по теоретической механике [Текст]. - М.: Высшая школа, 1962. - 392 с.

10. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы [Текст]. - М.: Высшая школа, 1989.-264 с.

11. Аносов Д.В. Об устойчивости положений равновесия релейных [Текст] // Автоматика и телемеханика, вып. 2. 1959. - с.135-149.

12. Афанасьев В.Г. Геодезия и маркшейдерия при строительстве тоннелей и метрополитенов [Текст]. - М.: Недра, 1965. - 294 с.

13. Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления [Текст]. - М.: Высшая школа, 1998. -576 с.

14. Барбашин Е.А. Введение в теорию устойчивости [Текст]. - М.: Наука, 1967. -223 с.

15. Барбашин Е.А. Функции Ляпунова [Текст]. - М.: Наука, 1970. - 240 с.

16. Беллман Р. Динамическое программирование [Текст]. - М.: Изд-во иностр. лит., 1960.-232 с.

17. Берч Ф., Шерер Д., Спейсер Г. Справочник для геологов по физическим константам [Текст]. - М.: Изд-во Иностранной литературы, 1949. - 304с.

18. Беспалов Ю.И., Терещенко Т.Ю. Лазерные маркшейдерско-геодезические измерения в строительстве [Текст]. - Спб.: СПбГАСУ, 2010. - 227 с.

19. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления [Текст]. - СПб.: Изд-во Профессия, 2004. - 752 с.

20. Борцов Ю.А., Юнгер И.Б. Автоматические системы с разрывным управлением [Текст]. - Л.: Энергоатомиздат. 1986. - 167 с.

21. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Щеголевский М.М., Поляков Ал.В., Поляков Ан.В. Щитовые тоннелепроходческие комплексы [Текст]. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. - 320 с.

22. Будников В.Б. Математическая модель механизированного тоннелепроходческого комплекса [Текст]// Материалы X всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и

молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов» - Тула: Изд-во ТулГУ - 2011 - с. 309-313.

23. Будников В.Б. Математическое описание динамики щита тоннелепроходческого комплекса [Текст]// Известия Тульского государственного университета. Технические науки - Тула: Изд-во ТулГУ -

2012-Выпуск 11. Часть 1-е. 194-198.

24. Будников В.Б. Методика аналитического конструирования оптимальных по точности регуляторов электромеханических систем [Текст]// Известия Тульского государственного университета. Технические науки - Тула: Изд-во ТулГУ-2012-Выпуск 11. Часть 1-е. 191-194.

25. Будников В.Б. Перспективы оптимального по точности управления механизированными тоннелепроходческими комплексами [Текст]// Материалы V научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации». Часть 1 - Тула: Изд-во ТулГУ - 2011 - с. 28.

26. Будников В.Б. Развитие щитовой проходческой техники [Текст]// Материалы VII региональной молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации». Часть 1 - Тула: Изд-во ТулГУ - 2013 - с. 37-38.

27. Будников В.Б. Синтез оптимального управления методами классического вариационного исчисления [Текст]// Материалы VII региональной молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации». Часть 1 - Тула: Изд-во ТулГУ -

2013-с. 35-37.

28. Будников В.Б. Система управления щитом тоннелепроходческого комплекса [Текст]// Материалы шестой всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими объектами» -Тула: Изд-во ТулГУ - 2012 - с. 216-220.

29. Валеев К.Г., Финин Г.С. Построение функций Ляпунова [Текст]. - Киев: Наукова думка, 1981. - 412 с.

30. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления [Текст]. - М.: Энергия, 1980.-312 с.

31. Воронов A.A. Теория автоматического управления [Текст]. - М.: Высшая школа, 1986. 4.1 - 368 е., 4.2 - 504 с.

32. Габасов Р., Кириллова Ф.М. Особые оптимальные управления [Текст]. - М.: Наука, 1973.-256 с.

33. Габасов Р., Кирилова Ф.М. Качественная теория оптимальных процессов [Текст]. - М.: Наука, 1971. - 507 с.

34. Гурман В.И. Вырожденные задачи оптимального управления [Текст]. - М.: Наука, 1977.-408 с.

35. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления [Текст]. - М.: Бином, 2004. - 324 с.

36. Дьяконов В.П., Круглов B.B. Matlab 6.5 + Simulink 5/6. Инструменты искусственного интеллекта и биоинформатики [Текст]. - М.: COJIOH-ПРЕСС, 2006. - 456 с.

37. Егупов Н.Д. Анализ и статистическая динамика систем автоматического управления [Текст]. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 748 с.

38. Егупов Н.Д. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 3-х томах. Т2.: Синтез регуляторов и теория оптимизации систем автоматического управления [Текст]. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2000. - 736 с.

39. Егупов Н.Д. Методы современной теории систем автоматического управления [Текст]. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 748 с.

40. Зубов В.И. Колебания в нелинейных и управляемых системах [Текст]. — М.: Судостроение, 1966. - 464 с.

41. Зубов В.И. Лекции по теории управления [Текст]. - М.: Наука, 1975. - 496 с.

42. Иванов В.А., Фалдин Н.В. Теория оптимальных систем соматического управления [Текст]. - М.: Наука, 1981. - 336 с.

43. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем [Текст]. - М., 1971. - 400 с.

44. Карташов А.П., Рождественский Б.Л. Обыкновенные дифференциальные уравнения и основы вариационного исчисления [Текст]. - М.: Наука, 1980. -288 с.

45. Карчевский Е.М., Филиппов И.Е. Word 2007 в примерах: Учебно-методическое пособие [Текст]. -М.: ДРОФА, 2010. - 546 с.

46. Киселев С.Н. Тоннельные машины и тоннельный транспорт [Текст]. — М.: Транспорт, 1976. - 174 с.

47. Киселев С.Н., Часовитин П.А. Тоннельные машины [Текст]. - М.: Недра, 1996.-323 с.

48. Кларк С.П. Науки о Земле. Справочник физических констант горных пород [Текст]. - М.: Изд-во Мир, 1969. - 544 с.

49. Клорикьян В.Х., Ходош В.А. Проходческие щиты и комплексы [Текст]. - М.: Энергоиздат, 1977. - 326 с.

50. Клюев A.C., Колесников A.A. Оптимизация автоматических систем управления по быстродействию [Текст]. - М.: Энергоиздат, 1982. — 240с.

51. Колесников A.A. Основы теории синергетического управления [Текст]. — М.: Испо-Сервис, 2000. - 264 с.

52. Колесников A.A. Синергетическая теория управления [Текст]. — М.: Энергоатомиздат, 1994. - 344 с.

53. Колесников A.A., Горелов В.Н. Синтез оптимальных нелинейных систем управления на ЭЦВМ [Текст]. - Таганрог: Таганрогский радиотехнический институт, 1975. - 177 с.

54. Компаниец С.А, Поправко А.К. и др. Проектирование тоннелей [Текст]. - М.: Транспорт, 1973. - 320 с.

55. Краснова С.А., Уткин В.А. Каскадный синтез наблюдателей состояния динамических систем [Текст]. — М.: Наука, 2006. - 272 с.

56. Красовский A.A. Аналитическое конструирование контуров управления летательными аппаратами [Текст]. — М.: Машиностроение, 1969. — 240 с.

57. Красовский A.A. Справочник по теории автоматического управления [Текст]. - М.: Наука, 1987. - 712 с.

58. Красовский A.A. Статистическая теория переходных процессов в системах управления [Текст]. - М.: Наука, 1968. - 240 с.

59. Кротов В.Ф., Гурман В.И. Методы и задачи оптимального управления [Текст]. - М.: Наука, 1973. - 448 с.

60. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства [Текст]. -М.: Машиностроение, 1976. — 184 с.

61. Кунцевич В.М., Лычак М.М. Синтез систем автоматического управления с помощью функций Ляпунова [Текст]. - М.: Наука, 1977. - 400 с.

62. Куропаткин П.В. Оптимальные и самонастраивающиеся системы [Текст]. -Л.: Госэнергоиздат, 1975. - 303 с.

63. Куштин И.Ф. Геодезия: обработка результатов измерений [Текст]. - М.: ИКЦ МарТ, 2006.-288 с.

64. Летов A.M. Математическая теория процессов управления [Текст]. — М.: Наука, 1981.-256 с.

65. Ловчаков В.И., Сурков В.В., Сухинин Б.В. Оптимальное управление электротехническими объектами [Текст]. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. — 152 с.

66. Ловчаков В.И., Сухинин Б.В., Сурков В.В. Нелинейные системы управления электроприводами и их аналитическое конструирование [Текст]. - Тула: Изд-во ТулГУ, 1999.- 180 с.

67. Ловчаков В.И., Сухинин Б.В., Фомичев A.A., Феофилов Е.И. Основы теории синтеза оптимальных систем управления электротехническими объектами. Учебное пособие [Текст]. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - 160с.

68. Маркеев А.П. Теоретическая механика. Учебник для университетов [Текст]. -М.: ЧеРо, 1999.-572 с.

69. Мееров М.В. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности [Текст]. -М.: Наука, 1967. - 424 с.

70. Мельников Г.И. Динамика нелинейных механических и электромеханических систем [Текст]. - Л: Машиностроение, 1975. -200с.

71. Мельников Н.В., Протодьяконов М.М., Ржевский В.В. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород [Текст]. - М.: Недра, 1975. - 279 с.

72. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Линейные системы [Текст]. - СПб.: Питер, 2005. - 437 с.

73. Михелев Д.Ш. Инженерная геодезия [Текст]. - М.: Высшая школа, 2000. -464 с.

74. Олейников В.А., Зотов Н.С., Пришвин A.M. Основы оптимального и экстремального управления [Текст]. - М.: Высшая школа, 1969. - 296 с.

75. Ольфинская В.П. Техническая механика. Курс лекций с вариантами практических и тестовых заданий [Текст]. - М.: ИНФРА-М, 2007. - 349с.

76. Павлов A.A. Синтез релейных систем, оптимальных по быстродействию [Текст]. - М.: Наука, 1966. - 390 с.

77. Первозванский A.A. Курс теории автоматического управления [Текст]. — М.: Наука, 1986.-526 с.

78. Петров Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управления [Текст]. - Л: Энергия, 1977. - 280 с.

79. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов [Текст]. - М.: Наука, 1983. -392 с.

80. Попов Е.П. Динамика систем автоматического регулирования [Текст]. — М.: ГИТТЛ, 1954. - 344 с.

81. Попов Е.П. Прикладная теория процессов управления в нелинейных системах [Текст]. - М.: Наука, 1973. - 584 с.

82. Потемкин В.Г. Система Matlab. Справочное пособие [Текст]. - М.: Диалог-МИФИ, 1997.-520 с.

83. Протодьяконов М.М. Распределение и корреляция показателей физических свойств горных пород [Текст]. - М.: Недра, 1981. - 192 с.

84. Протодьяконов М.М., Чирков С.Е. Трещиноватость и прочность горных пород в массиве [Текст]. - М.: Наука, 1964. - 69 с.

85. Садовой A.B., Сухинин Б.В., Сохина Ю.В. Системы оптимального управления прецизионными электроприводами [Текст]. - Киев: ИСИМО, 1996.-298 с.

86. Самойлов В.П. Экспериментальные исследования - важнейший этап создания щитовых тоннелепроходческих машин [Текст]. М.: ОАО ЦНИИС, 2007. - 154 с.

87. Самойлов В.П., Малицкий B.C. Новейшая японская техника щитовой проходки тоннелей [Текст]. - М.: Империум Пресс, 2004. - 232 с.

88. Слежановский О.В., Дацковский Л.Х., Кузнецов И.С. и др. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями [Текст]. -М.: Энергоатомизд, 1983. -256 с.

89. Солод В.И., Зайков В.И., Первов K.M. Горные машины и автоматизированные комплексы. Учебник для вузов [Текст]. - М.: Недра, 1981.-503 с.

90. Сурков В.В., Сухинин Б.В. Аналитическое конструирование оптимальных регуляторов по критериям точности, быстродействию, энергосбережению [Текст]. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - 300 с.

91. Сухинин Б.В., Евстигнеев Е.Т. Синтез электрических следящих приводов, оптимальных по точности. Учебное пособие [Текст]. - Тула: Тул. политехи, ин-т, 1992.-111 с.

92. Сухинин Б.В., Ловчаков В.И., Сурков В.В. Управление электротехническими объектами. Синтез и анализ оптимальных релейных регуляторов методами A.A. Красовского и динамического программирования [Текст]. - Тула: Изд-во ТулГУ, 1997.-322 с.

93. Сю Д., Мейер А. Современная теория автоматического управления и ее применение [Текст]. -М.: Машиностроение, 1972. - 760 с.

94. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. Учеб. для ВТУЗов [Текст]. - М.: Высшая школа, 1986. - 416 с.

95. Уонхем У.М. Линейные многомерные системы управления. Геометрический подход [Текст]. - М., 1980. - 376 с.

96. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления [Текст]. -М.: Наука, 1981.-367 с.

97. Фалдин Н.В. Синтез оптимальных по быстродействию замкнутых систем управления [Текст]. - Тула: Тул. политехи, ин-т, 1990. -100 с.

98. Фельдбаум A.A. Основы теории оптимальных автоматических систем [Текст]. - М.: Физматгиз, 1963. - 552 с.

99. Филиппов И.И. Тоннели, сооружаемые щитовыми и специальными способами [Текст]. - М.: РГОТУПС, 2004. - 212 с.

100. Фролов Ю.С., Иванес Т.В. Сооружение тоннелей щитами с активным пригрузом забоя [Текст]. - СПб.: ПГУПС, 2011. - 70 с.

101. Цыпкин Я.З. Релейные автоматические системы [Текст]. - М.: Наука, 1974. — 576 с.

102. Цыпкин Я.З. Теория релейных систем автоматического регулирования [Текст]. - М.: Гостехиздат, 1955. - 456 с.

103. Часовитин П.А. Справочник строителя транспортных тоннелей [Текст]. — М.: Транспорт, 1965. - 766 с.

104. Чураков Е.П. Оптимальные и адаптивные системы [Текст]. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 256 с.

105. Яблонский A.A., Никифорова В.М. Курс теоретической механики [Текст]. — М.: Высшая школа, 1966. 4.1 - 440 е., 42 - 411 с.

Приложение 1. Акт внедрения

УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор ООО «СпедПодземСтрой»

О] ер А.Д.

-ъ ьМ^.Р 2013 г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Представители Общество

с

охраниченной ответственностью

«СпедПодземСтрой»: заместитель генерального директора, главный инженер, составили настоящий акт в том, что результаты, полученные Будниковым В.Б. при выполнении диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технических наук «Обоснование параметров и исследование работы системы управления движением исполнительного органа щитового тоннелепроходческого комплекса»:

- математическое описание движения исполнительного органа роторного типа щитового тоннелепроходческого комплекса во взаимодействии с горным массивом, позволяющее рассматривать его движение раздельно ьо всех каналах управления;

- разработанный на основании теории аналитического конструирования оптимальных ре!уляторов метод построения систем управления движением исполнительного органа роторного типа щитовых тоннелепроходческих комплексов, обеспечивающих требуемую точность проходки и учитывающих физико-механические свойства горных пород;

предполагается использовать в ООО «СПС» при совершенствовании и разработке новых систем управления используемых проходческих комплексов.

Главный инженер

<^77

Дроздо Ю.А.

Заместитель генерального директора /

Огер А.А.

Приложение 2. Патент на изобретение

Форма Л» 01 1П-2011

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(РОСПАТЕНТ)

Бережковская наб., 30, кори. I, Москва, Г-59, ГСП-5, 123995. Телефон [phone], Факс [phone] - 63-! 8

На№ 4-05-02-3596 от 05.08.2013 Наш № 2012131918/03(050324)

При переписке просим ссылаться на номер заявки и сообщить дату получения настоящей корреспонденции

от 01.10.2013

I Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ), патентно-лицензионный отдел (ТулГУ) пр. Ленина, 92 | г.Тула

Цообоо

РЕШЕНИЕ о выдаче патента на изобретение

(21) Заявка № 2012131918/03(050324) (22) Дата подачи заявки 26.07.2012

В результате экспертизы заявки на изобретение по существу установлено, что [ ] заявленное изобретение IX] заявленная группа изобретений

относится к объектам патентных прав и соответствует условиям патентоспособности, предусмотренным Гражданским кодексом Российской Федерации, в связи с чем принято решение о выдаче патента на изобретение.

Заключение по результатам экспертизы прилагается.

Приложение: на 6 л. в 1 экз. Руководитель

Б.П.Симонов

Iii

Тульский государствен»

iL yH™W*\0ß>

г ШШ1

Вход. М

Приложение к форме К» 01111-2011

10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРТИЗЫ

(21) Заявка № 2012131918/03(050324) (22) Дата подачи заявки 26.07.2012

(24) Дата начала отсчета срока действия патента 26.07.2012

ПРИОРИТЕТ УСТАНОВЛЕН ПО ДАТЕ

(22) подачи заявки 26.07.2012

(72) Автор(ы) Будаиков В.Б., Сурков В.В., Сухинин Б.В., 1Ш

(73) Патентообладатель(и) Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ), К и

(54) Название изобретения СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЩИТОМ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА И СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ