橫軸掘錨機進尺在線測量系統(tǒng)研制

1 技術(shù)背景

近年來,國內(nèi)煤礦智能化發(fā)展日新月異,在國家相關(guān)政策的推動下,掘進智能化建設(shè)全面鋪開,巷道掘進裝備迅速發(fā)展,掘進智能化技術(shù)不斷突破。

目前,全斷面掘錨機配套設(shè)備在煤礦巷道掘進應(yīng)用廣泛,相比傳統(tǒng)綜掘機,巷道成型效果好,進尺顯著提高,智能化程度高,但在技術(shù)方面仍然存在難點,影響智能化工作面建設(shè)。

現(xiàn)階段,掘進工作面進尺統(tǒng)計是靠工人定期拿卷尺測量,然后統(tǒng)計計算得到結(jié)果,耗時耗力,且統(tǒng)計誤差較大;或者是使用慣導(dǎo)組合定位或者激光測距儀定位,高度依賴高水平技術(shù)人員^[1]。

因此,掘進工作面進尺自動統(tǒng)計功能就很有必要。鑒于此,通過研究一種煤礦掘錨機進尺自動測量統(tǒng)計方法,使全斷面掘錨機在掘進過程中能夠自動統(tǒng)計進尺,實現(xiàn)班進尺、日進尺、月進尺的 自動精確統(tǒng)計,減少工人工作量,提高掘進效率,之后結(jié)合5G技術(shù)快速智能聯(lián)動,使掘進智能化程度更高、更智能^[2]。

2 方法設(shè)計背景

研發(fā)煤礦掘錨機進尺自動統(tǒng)計方法,可以降低掘進工人工作量,提高掘進效率, 自動統(tǒng)計進尺功能可以實時準(zhǔn)確顯示實際進尺,并且將進尺數(shù)據(jù)進行上傳。自動統(tǒng)計進尺對生產(chǎn)統(tǒng)計有實質(zhì)性作用,可以實時反映每班生產(chǎn)效率,滿足掘進智能化建設(shè)需求,提高智能化程度。

3 技術(shù)方案

3.1橫軸掘錨設(shè)備機械特點

煤礦全斷面掘錨機(下文簡稱“橫軸掘錨機”或“橫軸掘錨設(shè)備”)區(qū)別于傳統(tǒng)綜掘機,它不需要在巷道內(nèi)頻繁移動設(shè)備進行掘進與裝煤,可以直接進行全斷面截割并且配置全寬鏟板進行裝煤,基本不需要大幅度移動設(shè)備。相對于傳統(tǒng)的縱軸綜掘機,全斷面掘錨機的截割部不會在左右水平面上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動作^[3]。 如圖1所示,橫軸掘錨設(shè)備截割部只具有一個沿Z軸的平移自由度和一個沿Y軸的旋轉(zhuǎn)自由度,相比于縱軸掘錨設(shè)備的截割部自由度大大減少。此獨特的機械結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)進行自動進尺統(tǒng)計。

此系統(tǒng)就結(jié)合此機械特點進行開發(fā)和設(shè)計。 掘錨機截割部安裝有掏槽油缸,進行大臂掏槽動作時,通過油缸內(nèi)置伸縮位移傳感器傳回的數(shù)據(jù),再結(jié)合截割臂的機械件長度,可以得到掏槽伸縮位移的實時精準(zhǔn)測值。本系統(tǒng)就結(jié)合全斷面掘錨機這幾個機械結(jié)構(gòu)特點進行研究^[4]。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)難題

在此系統(tǒng)設(shè)計時面臨了許多技術(shù)上的難題:確定截割頭實際角度、測量進尺距離、判斷有效進尺。在此章節(jié)主要闡述該系統(tǒng)的幾個主要技術(shù)難題及其解決方案。

3.2.1技術(shù)難題1——確定截割頭實際角度

首先在掘錨機機身和截割臂分別放置一個傾角傳感器(圖2),通過兩個傳感器的互相補償可以在井下巷道非常復(fù)雜的情況下得到一個精確的截割頭相對于機身的傾角。掘錨機機身傾角傳感器測出的角度定義為α,截割臂傾角傳感器測出的角度定義為β(注:傾角傳感器角度正負(fù)按照國際標(biāo)準(zhǔn)逆正順負(fù)確定符號)。

掘錨機在井下使用中,當(dāng)截割滾輪開始切割煤壁的時候,產(chǎn)生的振動會對測量值產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。對于這個情況需要在算法中進行補償,可以使用“防脈沖干擾平均濾波法”對于實時數(shù)據(jù)進行分析,得到真實可靠的數(shù)據(jù)。

其中心思想為在一個位于控制器程序開始運行和結(jié)束運行時,在固定的時間周期T內(nèi)(例如400 mS,傳感器每20 mS發(fā)送一個數(shù)據(jù)值),控制器對于兩個傾角傳感器多次采數(shù),分別獲得N個結(jié)果。之后將收到的數(shù)據(jù)從大到小排序,去掉這組數(shù)據(jù)中前20%的最大值β_MAX/α_MAX和后20%的最小值β_MIN/α_MIN,然后計算剩余數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值。

此方法的優(yōu)點在于可以過濾掉一些極端測量值,盡可能留下有用的實際值,減少掘錨機振動對于截割滾輪位置的影響。把β_{有效結(jié)果}和α_{有效結(jié)果}二者計算結(jié)果相減,得到在當(dāng)前采樣周期T內(nèi)截割頭實際角度γ_T。

γ_T=β_{有效結(jié)果}-α_{有效結(jié)果}

3.2.2技術(shù)難題2——測量進尺距離

掘錨機在掘進巷道作業(yè)時,一般是順序開啟設(shè)備截割、裝載、運輸,打開后支撐,開始掏槽前進,然后開始自上而下進行截割作業(yè),最后進行拉底[5]。每次進行掏槽作業(yè)時,截割滾筒從上方進入煤壁開始截割,掏槽距離可以由掏槽油缸內(nèi)置磁致伸縮傳感器測量。掘錨機控制器通過判斷截割滾筒高度、截割電流大小來判斷是否產(chǎn)生有效掏槽位移,然后將有效掏槽位移L進行累加,所得即為實際進尺數(shù)(圖3)。

如圖3所示,可以通過計算得出一次有效掏槽位移L:

L_{有效掏槽位移}=L_JGB2 ×cosγ₂-L_JGB1 × cosγ₁

式中:L_JGB1為截割臂起始時長度;γ₁為起始時截割頭實際角度;L_JGB2為截割臂終止時長度;γ₂為終止時截割頭實際角度。

另外存在一個干擾因素——確定有效距離,如圖4所示,如果未加判斷從截割臂起始位置計算到截割頭停止位置,經(jīng)常在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一個掏槽位移L無效。

此種屬于非線性情況產(chǎn)生的誤差,因此需要結(jié)合機身傾角角度α和截割臂傾角終止角度β終止,建立“進尺距離非線性模型”。臨界條件為機身傾角α等于截割臂傾角β，當(dāng)跨過這個臨界條件以后(當(dāng)β終止≤α?xí)r)，就使用截割臂在臨界條件下的實際機械長度(以下公式中使用L截割臂臨界實際機械長度表示)，當(dāng)作最遠掘進距離。此判定條件結(jié)合礦方實際巷道條件，在多數(shù)條件下巷道不會為絕對水平，臨界條件示意圖如圖5所示。

使用此模型可以相對精準(zhǔn)地計算出掘錨機實際掏槽位移。

3.2.3技術(shù)難題3—判斷有效進尺

在計算累計進尺時，該系統(tǒng)是通過截割滾筒位置和截割電流大小來確定當(dāng)前掏槽進尺是否有效。截割滾筒位置處于截割工藝要求的掏槽位置(一般為煤壁頂部，根據(jù)礦方截割工藝確定)，同時設(shè)置20cm截割判斷誤差區(qū)'截割滾筒上部位置抵達截割判斷誤差區(qū)域'即判斷滿足這一條件。截割滾筒位置由截割部和機身上安裝的傾角儀測量計算獲得。

截割電流大小要滿足截割電機實際電流大于截割電機空載電流30%以上。滿足這個條件以后可以確定截割滾筒進入實際帶載狀態(tài)，開始實際工作。實際情況下這個百分比要根據(jù)機械潤滑程度、煤巖成分比例、煤質(zhì)硬度和巖質(zhì)硬度進行現(xiàn)場調(diào)試。以陜北某礦(其巷道基本均為煤巷，煤巖比大于78%)為例，空載電流為60 A，截割電流實際為110 A左右。

掘錨機控制器通過持續(xù)判斷截割滾筒高度、截割電流大小來判斷是否產(chǎn)生有效掏槽位移，然后將有效掏槽位移L進行累加，所得即為單次實際進尺數(shù)。

3.3 系統(tǒng)硬件和信號原理說明

整套系統(tǒng)所使用硬件一共由六部分組成'分別為機身傾角儀(1)、截割臂傾角儀(2)、掏槽伸縮油缸(3)、本安電源(4)、機身控制器(5)和電控箱(6)。機身傾角儀(1)和截割臂傾角儀(2)發(fā)送CAN信號直接進入機身控制器(5)。掏槽伸縮油缸(3)使用模擬量信號與機身控制器(5)通信。機身控制器(5)和本安電源(4)安裝于電控箱(6)內(nèi)部。機身控制器同時具備處理CAN信號、模擬量信號的能力'并可控制和處理其輸入量和輸出量。其整體電氣原理圖如圖6所示。

其中，需注意的是本安電源，本安電源(4)給機身控制器(5)的輸出為24 V直流電，給其余設(shè)備元件供電使用12 V直流電。電控箱(6)按照礦用防爆要求設(shè)計和生產(chǎn)。

4整體使用流程

上面幾個小節(jié)分析和解決了此系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵性問題，下面主要對該系統(tǒng)工作流程進行詳細說明。首先滿足先決判斷條件一“截割電機實時電流大于空載電流30%以上”和先決判斷條件二“截割滾筒上端高度在巷道上頂板區(qū)域20cm內(nèi)”,同時滿足兩個先決判定條件后程序在控制器內(nèi)部開始運行,控制器內(nèi)部寄存區(qū)間持續(xù)存入當(dāng)前截割臂角度和截割臂油缸位移傳感器數(shù)據(jù)。

該程序記錄整個掏槽作業(yè)軌跡的過程中,截割電機電流需保持大于空載電流1.3倍以上。當(dāng)截割電機電流值小于空載電流1.3倍以后,終止記錄截割臂傾角傳感器數(shù)據(jù)和截割臂油缸位移傳感器長度。

控制器得到完整數(shù)據(jù)以后將使用“進尺距離非線性模型”和“傾角防脈沖干擾平均濾波法”對數(shù)據(jù)進行分析和計算,并將有效掏槽位移存入控制器掉電保護區(qū)。之后可以通過結(jié)合控制器系統(tǒng)時間自動累加統(tǒng)計班進尺、日進尺和月進尺。整體工作流程如圖7所示。

5總結(jié)與未來構(gòu)思

掘進隊利用該掘進工作面進尺自動統(tǒng)計系統(tǒng),可以在不增加其他人力物力的情況下,達到獲取進尺的目的。此系統(tǒng)結(jié)合橫軸掘錨機結(jié)構(gòu)特點和井下實際掘進工藝,通過掘錨機自身掏槽油缸位移傳感器及兩個傾角傳感器進行實際參數(shù)檢測,結(jié)合實際掘進工藝及機械結(jié)構(gòu),獲取實際進尺,隨后采用相關(guān)算法,通過編程實現(xiàn)進尺實時統(tǒng)計,為橫軸掘錨機進尺無法自動統(tǒng)計的技術(shù)難題提供了一種新的解決思路。相比于目前激光慣導(dǎo)或UWB的解決方案,該裝置具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢,并且便于現(xiàn)場實施。

橫軸掘錨機使用該進尺自動統(tǒng)計裝置,有助于掘進隊實時記錄當(dāng)班及當(dāng)日實際進尺,并且能夠進行月進尺統(tǒng)計,便于礦方進行生產(chǎn)管理,減少掘進人員工作量,提高掘進效率,并且對掘進工作面智能化建設(shè)有著實質(zhì)性的推進作用。

[參考文獻]

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2024年第15期第13篇