基于雙坐標(biāo)系的采煤機(jī)截割路徑平整性控制方法

周 信,王忠賓,譚 超,劉新華,季 瑞

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

基于雙坐標(biāo)系的采煤機(jī)截割路徑平整性控制方法

周 信,王忠賓,譚 超,劉新華,季 瑞

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇徐州 221116)

針對(duì)當(dāng)前綜采工作面采煤機(jī)截割路徑不平整問題,提出一種基于雙坐標(biāo)系的采煤機(jī)截割路徑控制方法。通過對(duì)影響采煤機(jī)截割路徑平整性的主要因素進(jìn)行分析,建立了雙坐標(biāo)系下的采煤機(jī)滾筒高度控制模型;為滿足滾筒高度變化的連續(xù)性控制要求,設(shè)計(jì)了基于微分理論的搖臂傾角控制算法;以現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)據(jù)為輸入,對(duì)采煤機(jī)截割路徑控制方法進(jìn)行仿真,結(jié)果顯示:與未使用平整性控制方法之前相比,采煤機(jī)前、后滾筒截割路徑上的最大高度差分別減小了93.3%和97.6%,標(biāo)準(zhǔn)偏差分別減小了95.6%和97.2%。因此,提出的方法能夠有效改善采煤機(jī)截割路徑的平整性,可對(duì)綜采工作面自動(dòng)化生產(chǎn)提供參考。

采煤機(jī);截割路徑;雙坐標(biāo)系;平整;微分控制

綜合機(jī)械化采煤過程中,采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)等綜采設(shè)備隨著工作的推進(jìn)處于不斷推移的狀態(tài)[1－2]。采煤機(jī)截割路徑不平整會(huì)導(dǎo)致刮板輸送機(jī)推移阻力增大、液壓支架支護(hù)不到位等問題,容易造成生產(chǎn)中斷,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成設(shè)備損壞和人員傷亡[3－4]。因此,保證采煤機(jī)截割路徑的平整性對(duì)于提高煤礦生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)具有重要的意義[5－6]。

對(duì)于采煤機(jī)滾筒截割高度調(diào)整方法,相關(guān)科研人員進(jìn)行了大量研究。張俊梅等[7－8]致力于開發(fā)新型傳感器和新的信息融合算法,以期精確識(shí)別煤巖界面,并以此為依據(jù)對(duì)采煤機(jī)滾筒進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)高;梁義維等[9－10]研究了基于歷史數(shù)據(jù)和智能控制算法的滾筒自動(dòng)調(diào)高方法;劉春生等[11－13]對(duì)采煤機(jī)記憶截割的程控方法進(jìn)行了控制策略和算法仿真研究;徐志鵬等[14－15]研究了基于模糊控制理論的采煤機(jī)滾筒自適應(yīng)控制方法。雖然對(duì)于滾筒調(diào)高的研究有很多,但是專門針對(duì)采煤機(jī)截割路徑平整性控制的方法還不多見。

本文提出了一種基于雙坐標(biāo)系的采煤機(jī)截割路徑平整性控制方法。首先,根據(jù)采煤機(jī)初始階段的運(yùn)行參數(shù)建立靜態(tài)參考坐標(biāo)系;然后,在采煤機(jī)運(yùn)行過程中,以靜態(tài)參考坐標(biāo)系為參照標(biāo)準(zhǔn),分析不同動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系下滾筒高度相對(duì)靜態(tài)參考坐標(biāo)系的變化關(guān)系。最后,根據(jù)變化關(guān)系和微分理論的連續(xù)條件,研究動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系中采煤機(jī)搖臂傾角的連續(xù)性控制方法,從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高,以滿足采煤機(jī)截割路徑的平整性要求。

1 雙坐標(biāo)系的建立

1.1 靜態(tài)參考坐標(biāo)系

在采煤機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中,對(duì)截割路徑進(jìn)行平整性控制的困難之一在于缺少合適的參考標(biāo)準(zhǔn),本文建立了靜態(tài)坐標(biāo)系作為動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系的參考坐標(biāo)系。靜態(tài)參考坐標(biāo)系傾角參數(shù)值的確定可以根據(jù)事先測(cè)得的煤層傾角確定[16],也可以根據(jù)采煤機(jī)機(jī)載傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,如使用極值法對(duì)靜態(tài)參考坐標(biāo)系的傾角參數(shù)值θ進(jìn)行計(jì)算:

其中,αi為傳感器采集到的機(jī)身傾角值,也可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇其他計(jì)算方法。設(shè)某一時(shí)刻靜態(tài)參考坐標(biāo)系中的傾角參數(shù)值為θ,如圖1所示。

圖1 靜態(tài)參考坐標(biāo)系Fig.1 Staic referential coordinate

如圖1所示,對(duì)采煤機(jī)幾何參數(shù)和傳感參數(shù)進(jìn)行如下定義:a為采煤機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度,左、右搖臂與采煤機(jī)機(jī)身鉸接點(diǎn)中心之間的距離;b為采煤機(jī)機(jī)身高度,采煤機(jī)機(jī)身底部到搖臂與機(jī)身鉸接點(diǎn)中心之間的距離;l為左右搖臂長(zhǎng)度,鉸接點(diǎn)中心和采煤機(jī)滾筒中心之間的距離;α為機(jī)身傾角,采煤機(jī)相對(duì)水平面的傾角;βL為左搖臂傾角,左搖臂相對(duì)水平面的傾角; βR為右搖臂傾角,右搖臂相對(duì)水平面的傾角。

1.2 動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系

當(dāng)機(jī)身傾角隨著綜采工作面底板起伏變化時(shí),以采煤機(jī)機(jī)身傾角變化情況為依據(jù),建立動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系,動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系的傾角參數(shù)值等于當(dāng)前機(jī)身傾角參數(shù)值。由于綜采工作面起伏的不確定性,采煤機(jī)所在動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系的變化趨勢(shì)也是不確定的[17－18]。根據(jù)微分控制條件要求,將采煤機(jī)所在動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系的變化情況分為以下4種:

(1)動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系傾角參數(shù)值在小于或等于靜態(tài)參考坐標(biāo)系傾角參數(shù)值范圍內(nèi)變化時(shí),即|αi－1|, |αi|≤|θ|,如圖2(a)所示。

(2)動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系傾角參數(shù)值在大于或等于靜態(tài)參考坐標(biāo)系傾角參數(shù)值范圍內(nèi)變化時(shí),即|αi－1|, |αi|≥|θ|,如圖2(b)所示。

(3)動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系傾角參數(shù)值變化前小于靜態(tài)參考坐標(biāo)系傾角參數(shù)值,變化后大于靜態(tài)坐標(biāo)系傾角參數(shù)值,即|αi－1|＜|θ|,|αi|＞|θ|,如圖2(c)所示。

(4)動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系傾角參數(shù)值變化前大于靜態(tài)參考坐標(biāo)系傾角參數(shù)值,變化后小于靜態(tài)坐標(biāo)系傾角參數(shù)值,即|αi－1|＞|θ|,|αi＜|θ|,如圖2(d)所示。

圖2(a),(b)所示動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系中,采煤機(jī)姿態(tài)的連續(xù)變化可以直接通過微分理論進(jìn)行控制;圖2(c),(d)所示動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系中,采煤機(jī)機(jī)身傾角的變化過程超出了靜態(tài)參考坐標(biāo)系的傾角參數(shù)值范圍,需要將變化過程分成兩個(gè)子過程進(jìn)行控制,分別與圖2(a),(b)所示變化過程相對(duì)應(yīng)。

2 截割過程分析與動(dòng)態(tài)控制方法

2.1 截割過程分析

采煤機(jī)截割過程中,機(jī)身傾角隨煤層傾角變化而改變,由于搖臂與機(jī)身之間存在鉸接關(guān)系,滾筒的截割高度也隨之發(fā)生改變[19]。下面以采煤機(jī)后滾筒為例,分析機(jī)身傾角變化對(duì)截割路徑的影響。

如圖3所示,采煤機(jī)機(jī)身傾角由α1變化為α2,采煤機(jī)搖臂傾角隨著機(jī)身傾角變化由βR1變化為βR2,采煤機(jī)滾筒中心位置高度隨著機(jī)身傾角變化由hR1變化為hR2。

圖2 動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系變化過程Fig.2 Changing process of the dynamic running coordinates

圖3 采煤機(jī)后滾筒高度變化過程Fig.3 Height variation process of shearer’s rear drum

圖3(a)中,采煤機(jī)后滾筒中心距地面的高度hR1為

圖3(b)中,采煤機(jī)機(jī)身傾角由α1變化為α2,搖臂與機(jī)身之間的夾角保持不變,為90°+βR1－α1。此時(shí),采煤機(jī)后滾筒中心距地面的高度hR2為

當(dāng)采煤機(jī)由圖3(a)狀態(tài)變化為圖3(b)狀態(tài)時(shí),采煤機(jī)后滾筒中心距離地面的高度變化ΔhR1為

由圖3(a)和圖3(b)可知,對(duì)滾筒中心距離地面高度的計(jì)算都是在靜態(tài)參考坐標(biāo)系中進(jìn)行的,保證了計(jì)算結(jié)果的一致性。

2.2 連續(xù)性微分控制

機(jī)身傾角發(fā)生變化后,通過調(diào)節(jié)搖臂角度,使?jié)L筒中心在靜態(tài)參考坐標(biāo)系中的高度保持不變,即無論動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系如何變化,都可以以靜態(tài)參考坐標(biāo)系為參照坐標(biāo)系對(duì)處于不同動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系中的滾筒高度進(jìn)行調(diào)節(jié),滿足截割路徑平整性要求的目的。對(duì)于圖3(b)中因?yàn)闄C(jī)身傾角變化產(chǎn)生的高度變化ΔhR1,通過調(diào)節(jié)搖臂傾角,使得滾筒在靜態(tài)參考坐標(biāo)系中的高度保持不變,如圖4所示。

圖4 調(diào)節(jié)搖臂傾角后的滾筒高度Fig.4 Height of the shearer’s rear drum with adjusting

當(dāng)機(jī)身傾角由α1變化為α2時(shí),采煤機(jī)搖臂傾角隨著機(jī)身傾角變化由βR1變化為βR2,調(diào)節(jié)右搖臂傾角由βR2變化為βTR2,滾筒中心高度隨著右搖臂傾角變化由hR2變化為hTR2。

圖4中,調(diào)節(jié)后的采煤機(jī)滾筒中心距地面高度hTR2為

調(diào)節(jié)搖臂傾角過程中,采煤機(jī)后滾筒中心距離地面的高度變化ΔhR2為

為了獲得較為平整的截割路徑,應(yīng)滿足:ΔhR1= ΔhR2也即hR1=hTR2:

對(duì)于固定的靜態(tài)參考坐標(biāo)系傾角參數(shù)值θ,sin θ, cos θ是確定的值,本文中,設(shè)sin θ=k1,cos θ=k2。

根據(jù)圖3中采煤機(jī)所處的位置關(guān)系,有:

因此,當(dāng)機(jī)身傾角在|α|≤|θ|范圍內(nèi)變化時(shí),可按照式(2)對(duì)搖臂傾角進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),調(diào)整采煤機(jī)滾筒截割高度,保持采煤機(jī)滾筒截割路徑基本平整。

2.3 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方法

對(duì)應(yīng)采煤機(jī)在不同傾角參數(shù)區(qū)間的變化,其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方法也存在差別。采煤機(jī)截割路徑的平整性控制實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。

圖5 截割路徑平整性控制流程Fig.5 Dynamic planning flow for the cutting path

根據(jù)式(1)的結(jié)果計(jì)算方法,對(duì)處于不同區(qū)間變化的調(diào)節(jié)方法進(jìn)行類似計(jì)算,得出前滾筒搖臂傾角計(jì)算方法:

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以中國(guó)平煤神馬集團(tuán)股份六礦22210工作面為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。在采煤機(jī)左、右搖臂和機(jī)身內(nèi)部安裝傾角傳感器,分別測(cè)量采煤機(jī)左、右搖臂傾角和機(jī)身傾角,傾角傳感器安裝位置如圖6所示。

采煤機(jī)運(yùn)行時(shí),以1 Hz的采樣頻率采集采煤機(jī)左、右搖臂傾角值和機(jī)身傾角值,根據(jù)采煤機(jī)幾何參數(shù)和傳感參數(shù)計(jì)算出前、后滾筒高度值[20]。在此基礎(chǔ)上,采用本文提出的基于雙坐標(biāo)系的截割路徑平整性控制方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

圖6 傾角傳感器安裝Fig.6 Installation of the angle sensors

仿真實(shí)驗(yàn)通過控制采煤機(jī)搖臂傾角的變化,補(bǔ)償因機(jī)身傾角變化引起的滾筒高度變化,實(shí)現(xiàn)以平整性為目的的采煤機(jī)截割路徑控制。根據(jù)傾角傳感器采集到的機(jī)身傾角參數(shù)值,得出采樣區(qū)間內(nèi)的機(jī)身傾角的最小值為－4.51°,選擇靜態(tài)參考坐標(biāo)系的傾角參數(shù)為－4°。對(duì)提出的方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證,采樣范圍內(nèi)的仿真實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果如圖7所示。

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出采煤機(jī)截割路徑平整性控制效果見表1。

圖7 前、后滾筒仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of the front and rear drum

表1 前、后滾筒截割路徑規(guī)劃效果Table 1 Cutting path planning results of the frontand rear drum

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,使用控制方法前綜采工作面采煤機(jī)截割頂板的平整度較差,容易出現(xiàn)頂板支護(hù)不到位的情況;底板截割路徑起伏明顯,不利于刮板輸送機(jī)設(shè)備的推移和液壓支架拉架等動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。使用本文提出的方法對(duì)滾筒截割高度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制后,前滾筒的截割路徑高度差由原來的0.704 m減小為0.047 m,減小了93.3%,標(biāo)準(zhǔn)偏差由原來的0.247 m減小為0.010 m,減小了95.6%;后滾筒的截割路徑高度差由原來的0.343 m減小為0.008 m,減小了97.7%,標(biāo)準(zhǔn)偏差由原來的0.065 m減小為0.002 m,減小了97.2%,有效改善了采煤機(jī)截割路徑的平整性。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)綜采工作面采煤機(jī)截割路徑的平整性需求,提出了靜態(tài)參考坐標(biāo)系和動(dòng)態(tài)運(yùn)行坐標(biāo)系的概念,并在此基礎(chǔ)上研究了采煤機(jī)滾筒高度的微分控制方法。

(2)對(duì)影響采煤機(jī)滾筒截割高度的因素進(jìn)行了分析,得出了滾筒高度與采煤機(jī)幾何參數(shù)及傳感參數(shù)之間的關(guān)系。

(3)提出了一種截割路徑平整性控制方法,通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)搖臂傾角,對(duì)由機(jī)身傾角變化引起的滾筒高度變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償,并對(duì)提出的方法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。

(4)提出的方法能夠?qū)崟r(shí)修正滾筒的截割路徑,使其保持在相對(duì)平緩的變化范圍內(nèi),有利于實(shí)現(xiàn)支架有效支護(hù),并保證設(shè)備推移的順利進(jìn)行,對(duì)于推進(jìn)綜采自動(dòng)化的發(fā)展具有積極意義。

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A smoothness controlling method for the cutting path of the shearer based on the double-coordinators

ZHOU Xin,WANG Zhong-bin,TAN Chao,LIU Xin-hua,JI Rui

(School of Mechatronic Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

Aiming at the problem that the shearer cutting path was not smooth on the fully mechanized face,a smoothness controlling method based on double-coordinators was proposed.The main factors which affect the smoothness of the shearer cutting path were analyzed and the control model for the shearer drum height under double-coordinators was established.Moreover,a control algorithm for rocker inclination based on differential theory was designed in order to satisfy the continuous controlling requirement of the drum height.Finally,sample data from an experiment were provided as system input and the proposed method was simulated.The simulation results show that the largest gaps of the front drum height and the rear drum height reduced by 93.3%and 97.6%respectively compared with the gaps without the application of the smoothness controlling method.Accordingly,the standard deviation reduced by 95.6%and 97.2%.Thus,the smoothness of shearer cutting path can be improved effectively and the proposed method has important significance to promoting the development of fully mechanized automation.

shearer;cutting path;double-coordinators;smoothness;differential controlling

TD421.6;TP273

A

0253－9993(2014)03－0574－06

周 信,王忠賓,譚 超,等.基于雙坐標(biāo)系的采煤機(jī)截割路徑平整性控制方法[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(3):574－579.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0429

Zhou Xin,Wang Zhongbin,Tan Chao,et al.A smoothness controlling method for the cutting path of the shearer based on the double-coordinators[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):574－579.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0429

2013－04－07 責(zé)任編輯:許書閣

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2013AA06A411);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51005231);江蘇省青藍(lán)工程資助項(xiàng)目

周 信(1987—),男,江蘇揚(yáng)州人,博士研究生。Tel:0516－83690758,E－mail:cumtzhouxin@gmail.com