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(jìn)智能化建設(shè)全面鋪開,巷道掘進(jìn)裝備迅速發(fā)展,掘進(jìn)智能化技術(shù)不斷突破。

目前,全斷面掘錨機(jī)配套設(shè)備在煤礦巷道掘進(jìn)應(yīng)用廣泛,相比傳統(tǒng)綜掘機(jī),巷道成型效果好,進(jìn)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(jìn)工作面進(jìn)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(jìn)工作面進(jìn)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(jī)進(jìn)尺自動測量統(tǒng)計方法,使全斷面掘錨機(jī)在掘進(jìn)過程中能夠自動統(tǒng)計進(jìn)尺,實現(xiàn)班進(jìn)尺、日進(jìn)尺、月進(jìn)尺的 自動精確統(tǒng)計,減少工人工作量,提高掘進(jìn)效率,之后結(jié)合5G技術(shù)快速智能聯(lián)動,使掘進(jìn)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(jī)進(jìn)尺自動統(tǒng)計方法,可以降低掘進(jìn)工人工作量,提高掘進(jìn)效率, 自動統(tǒng)計進(jìn)尺功能可以實時準(zhǔn)確顯示實際進(jìn)尺,并且將進(jìn)尺數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。自動統(tǒng)計進(jìn)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(jìn)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(jī)械特點

煤礦全斷面掘錨機(jī)(下文簡稱“橫軸掘錨機(jī)”或“橫軸掘錨設(shè)備”)區(qū)別于傳統(tǒng)綜掘機(jī),它不需要在巷道內(nèi)頻繁移動設(shè)備進(jìn)行掘進(jìn)與裝煤,可以直接進(jìn)行全斷面截割并且配置全寬鏟板進(jìn)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(jī),全斷面掘錨機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)進(jìn)行自動進(jìn)尺統(tǒng)計。

此系統(tǒng)就結(jié)合此機(jī)械特點進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計。 掘錨機(jī)截割部安裝有掏槽油缸,進(jìn)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(jī)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(jī)這幾個機(jī)械結(jié)構(gòu)特點進(jìn)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(jìn)尺距離、判斷有效進(jìn)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(jī)機(jī)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(bǔ)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(jī)身的傾角。掘錨機(jī)機(jī)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(jī)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(jìn)行補(bǔ)償,可以使用“防脈沖干擾平均濾波法”對于實時數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)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(jìn)尺距離

掘錨機(jī)在掘進(jìn)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(jìn),然后開始自上而下進(jìn)行截割作業(yè),最后進(jìn)行拉底[5]。每次進(jìn)行掏槽作業(yè)時,截割滾筒從上方進(jìn)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(jī)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(jìn)行累加,所得即為實際進(jìn)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(jī)身傾角角度α和截割臂傾角終止角度β終止,建立“進(jìn)尺距離非線性模型”。臨界條件為機(jī)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(jī)械長度(以下公式中使用L截割臂臨界實際機(jī)械長度表示)，當(dāng)作最遠(yuǎn)掘進(jìn)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(jī)實際掏槽位移。

3.2.3技術(shù)難題3—判斷有效進(jìn)尺

在計算累計進(jìn)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(jìn)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(dá)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(jī)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(jī)實際電流大于截割電機(jī)空載電流30%以上。滿足這個條件以后可以確定截割滾筒進(jìn)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(jī)械潤滑程度、煤巖成分比例、煤質(zhì)硬度和巖質(zhì)硬度進(jìn)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(jī)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(jìn)行累加，所得即為單次實際進(jìn)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(jī)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(jī)身控制器(5)和電控箱(6)。機(jī)身傾角儀(1)和截割臂傾角儀(2)發(fā)送CAN信號直接進(jìn)入機(jī)身控制器(5)。掏槽伸縮油缸(3)使用模擬量信號與機(jī)身控制器(5)通信。機(jī)身控制器(5)和本安電源(4)安裝于電控箱(6)內(nèi)部。機(jī)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(jī)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(jìn)行詳細(xì)說明。首先滿足先決判斷條件一“截割電機(jī)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(jī)電流需保持大于空載電流1.3倍以上。當(dāng)截割電機(jī)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(jìn)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(jìn)行分析和計算,并將有效掏槽位移存入控制器掉電保護(hù)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(jìn)尺、日進(jìn)尺和月進(jìn)尺。整體工作流程如圖7所示。

5總結(jié)與未來構(gòu)思

掘進(jìn)隊利用該掘進(jìn)工作面進(jìn)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(dá)到獲取進(jìn)尺的目的。此系統(tǒng)結(jié)合橫軸掘錨機(jī)結(jié)構(gòu)特點和井下實際掘進(jìn)工藝,通過掘錨機(jī)自身掏槽油缸位移傳感器及兩個傾角傳感器進(jìn)行實際參數(shù)檢測,結(jié)合實際掘進(jìn)工藝及機(jī)械結(jié)構(gòu),獲取實際進(jìn)尺,隨后采用相關(guān)算法,通過編程實現(xiàn)進(jìn)尺實時統(tǒng)計,為橫軸掘錨機(jī)進(jìn)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(jī)使用該進(jìn)尺自動統(tǒng)計裝置,有助于掘進(jìn)隊實時記錄當(dāng)班及當(dāng)日實際進(jìn)尺,并且能夠進(jìn)行月進(jìn)尺統(tǒng)計,便于礦方進(jìn)行生產(chǎn)管理,減少掘進(jìn)人員工作量,提高掘進(jìn)效率,并且對掘進(jìn)工作面智能化建設(shè)有著實質(zhì)性的推進(jìn)作用。

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2024年第15期第13篇