横轴掘锚机进尺在线测量系统研制

1 技术背景

近年来,国内煤矿智能化发展日新月异,在国家相关政策的推动下,掘进智能化建设全面铺开,巷道掘进装备迅速发展,掘进智能化技术不断突破。

目前,全断面掘锚机配套设备在煤矿巷道掘进应用广泛,相比传统综掘机,巷道成型效果好,进尺显著提高,智能化程度高,但在技术方面仍然存在难点,影响智能化工作面建设。

现阶段,掘进工作面进尺统计是靠工人定期拿卷尺测量,然后统计计算得到结果,耗时耗力,且统计误差较大;或者是使用惯导组合定位或者激光测距仪定位,高度依赖高水平技术人员^[1]。

因此,掘进工作面进尺自动统计功能就很有必要。鉴于此,通过研究一种煤矿掘锚机进尺自动测量统计方法,使全断面掘锚机在掘进过程中能够自动统计进尺,实现班进尺、日进尺、月进尺的 自动精确统计,减少工人工作量,提高掘进效率,之后结合5G技术快速智能联动,使掘进智能化程度更高、更智能^[2]。

2 方法设计背景

研发煤矿掘锚机进尺自动统计方法,可以降低掘进工人工作量,提高掘进效率, 自动统计进尺功能可以实时准确显示实际进尺,并且将进尺数据进行上传。自动统计进尺对生产统计有实质性作用,可以实时反映每班生产效率,满足掘进智能化建设需求,提高智能化程度。

3 技术方案

3.1横轴掘锚设备机械特点

煤矿全断面掘锚机(下文简称“横轴掘锚机”或“横轴掘锚设备”)区别于传统综掘机,它不需要在巷道内频繁移动设备进行掘进与装煤,可以直接进行全断面截割并且配置全宽铲板进行装煤,基本不需要大幅度移动设备。相对于传统的纵轴综掘机,全断面掘锚机的截割部不会在左右水平面上产生旋转动作^[3]。 如图1所示,横轴掘锚设备截割部只具有一个沿Z轴的平移自由度和一个沿Y轴的旋转自由度,相比于纵轴掘锚设备的截割部自由度大大减少。此独特的机械结构便于系统进行自动进尺统计。

此系统就结合此机械特点进行开发和设计。 掘锚机截割部安装有掏槽油缸,进行大臂掏槽动作时,通过油缸内置伸缩位移传感器传回的数据,再结合截割臂的机械件长度,可以得到掏槽伸缩位移的实时精准测值。本系统就结合全断面掘锚机这几个机械结构特点进行研究^[4]。

3.2 关键技术难题

在此系统设计时面临了许多技术上的难题:确定截割头实际角度、测量进尺距离、判断有效进尺。在此章节主要阐述该系统的几个主要技术难题及其解决方案。

3.2.1技术难题1——确定截割头实际角度

首先在掘锚机机身和截割臂分别放置一个倾角传感器(图2),通过两个传感器的互相补偿可以在井下巷道非常复杂的情况下得到一个精确的截割头相对于机身的倾角。掘锚机机身倾角传感器测出的角度定义为α,截割臂倾角传感器测出的角度定义为β(注:倾角传感器角度正负按照国际标准逆正顺负确定符号)。

掘锚机在井下使用中,当截割滚轮开始切割煤壁的时候,产生的振动会对测量值产生相当大的影响。对于这个情况需要在算法中进行补偿,可以使用“防脉冲干扰平均滤波法”对于实时数据进行分析,得到真实可靠的数据。

其中心思想为在一个位于控制器程序开始运行和结束运行时,在固定的时间周期T内(例如400 mS,传感器每20 mS发送一个数据值),控制器对于两个倾角传感器多次采数,分别获得N个结果。之后将收到的数据从大到小排序,去掉这组数据中前20%的最大值β_MAX/α_MAX和后20%的最小值β_MIN/α_MIN,然后计算剩余数据的算数平均值。

此方法的优点在于可以过滤掉一些极端测量值,尽可能留下有用的实际值,减少掘锚机振动对于截割滚轮位置的影响。把β_有效结果和α_有效结果二者计算结果相减,得到在当前采样周期T内截割头实际角度γ_T。

γ_T=β_有效结果-α_有效结果

3.2.2技术难题2——测量进尺距离

掘锚机在掘进巷道作业时,一般是顺序开启设备截割、装载、运输,打开后支撑,开始掏槽前进,然后开始自上而下进行截割作业,最后进行拉底[5]。每次进行掏槽作业时,截割滚筒从上方进入煤壁开始截割,掏槽距离可以由掏槽油缸内置磁致伸缩传感器测量。掘锚机控制器通过判断截割滚筒高度、截割电流大小来判断是否产生有效掏槽位移,然后将有效掏槽位移L进行累加,所得即为实际进尺数(图3)。

如图3所示,可以通过计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为截割臂起始时长度;γ₁为起始时截割头实际角度;L_JGB2为截割臂终止时长度;γ₂为终止时截割头实际角度。

另外存在一个干扰因素——确定有效距离,如图4所示,如果未加判断从截割臂起始位置计算到截割头停止位置,经常在生产过程中会产生一个掏槽位移L无效。

此种属于非线性情况产生的误差,因此需要结合机身倾角角度α和截割臂倾角终止角度β终止,建立“进尺距离非线性模型”。临界条件为机身倾角α等于截割臂倾角β，当跨过这个临界条件以后(当β终止≤α时)，就使用截割臂在临界条件下的实际机械长度(以下公式中使用L截割臂临界实际机械长度表示)，当作最远掘进距离。此判定条件结合矿方实际巷道条件，在多数条件下巷道不会为绝对水平，临界条件示意图如图5所示。

使用此模型可以相对精准地计算出掘锚机实际掏槽位移。

3.2.3技术难题3—判断有效进尺

在计算累计进尺时，该系统是通过截割滚筒位置和截割电流大小来确定当前掏槽进尺是否有效。截割滚筒位置处于截割工艺要求的掏槽位置(一般为煤壁顶部，根据矿方截割工艺确定)，同时设置20cm截割判断误差区'截割滚筒上部位置抵达截割判断误差区域'即判断满足这一条件。截割滚筒位置由截割部和机身上安装的倾角仪测量计算获得。

截割电流大小要满足截割电机实际电流大于截割电机空载电流30%以上。满足这个条件以后可以确定截割滚筒进入实际带载状态，开始实际工作。实际情况下这个百分比要根据机械润滑程度、煤岩成分比例、煤质硬度和岩质硬度进行现场调试。以陕北某矿(其巷道基本均为煤巷，煤岩比大于78%)为例，空载电流为60 A，截割电流实际为110 A左右。

掘锚机控制器通过持续判断截割滚筒高度、截割电流大小来判断是否产生有效掏槽位移，然后将有效掏槽位移L进行累加，所得即为单次实际进尺数。

3.3 系统硬件和信号原理说明

整套系统所使用硬件一共由六部分组成'分别为机身倾角仪(1)、截割臂倾角仪(2)、掏槽伸缩油缸(3)、本安电源(4)、机身控制器(5)和电控箱(6)。机身倾角仪(1)和截割臂倾角仪(2)发送CAN信号直接进入机身控制器(5)。掏槽伸缩油缸(3)使用模拟量信号与机身控制器(5)通信。机身控制器(5)和本安电源(4)安装于电控箱(6)内部。机身控制器同时具备处理CAN信号、模拟量信号的能力'并可控制和处理其输入量和输出量。其整体电气原理图如图6所示。

其中，需注意的是本安电源，本安电源(4)给机身控制器(5)的输出为24 V直流电，给其余设备元件供电使用12 V直流电。电控箱(6)按照矿用防爆要求设计和生产。

4整体使用流程

上面几个小节分析和解决了此系统中的几个关键性问题，下面主要对该系统工作流程进行详细说明。首先满足先决判断条件一“截割电机实时电流大于空载电流30%以上”和先决判断条件二“截割滚筒上端高度在巷道上顶板区域20cm内”,同时满足两个先决判定条件后程序在控制器内部开始运行,控制器内部寄存区间持续存入当前截割臂角度和截割臂油缸位移传感器数据。

该程序记录整个掏槽作业轨迹的过程中,截割电机电流需保持大于空载电流1.3倍以上。当截割电机电流值小于空载电流1.3倍以后,终止记录截割臂倾角传感器数据和截割臂油缸位移传感器长度。

控制器得到完整数据以后将使用“进尺距离非线性模型”和“倾角防脉冲干扰平均滤波法”对数据进行分析和计算,并将有效掏槽位移存入控制器掉电保护区。之后可以通过结合控制器系统时间自动累加统计班进尺、日进尺和月进尺。整体工作流程如图7所示。

5总结与未来构思

掘进队利用该掘进工作面进尺自动统计系统,可以在不增加其他人力物力的情况下,达到获取进尺的目的。此系统结合横轴掘锚机结构特点和井下实际掘进工艺,通过掘锚机自身掏槽油缸位移传感器及两个倾角传感器进行实际参数检测,结合实际掘进工艺及机械结构,获取实际进尺,随后采用相关算法,通过编程实现进尺实时统计,为横轴掘锚机进尺无法自动统计的技术难题提供了一种新的解决思路。相比于目前激光惯导或UWB的解决方案,该装置具有明显的技术优势,并且便于现场实施。

横轴掘锚机使用该进尺自动统计装置,有助于掘进队实时记录当班及当日实际进尺,并且能够进行月进尺统计,便于矿方进行生产管理,减少掘进人员工作量,提高掘进效率,并且对掘进工作面智能化建设有着实质性的推进作用。

[参考文献]

[1]徐啸.浅析智能化技术在煤矿巷道掘进机中的应用及发展趋势[J].中国设备工程,2023(10):48-50.

[2]王小峰.智能化综掘工作面的应用研究[J].山西化工,2021,41(5):208-209.

[3] 闫魏锋,石亮.我国煤巷掘进技术与装备发展现状[J].煤矿机械,2018,39(12):1-3.

[4]刘伟,王彦海.掘锚机分类选型研究[J].设备管理与维修,2017(7):35-36.

[5]查太东.煤矿快速掘进系统现状及发展趋势[J].煤炭技术,2021,40(6):30-32.

2024年第15期第13篇