基于扩展截割路径的采煤机端头记忆截割方法研究_张骁亚.pdf

基于扩展截割路径的采煤机端头记忆截割方法研究张骁亚（山西焦煤集团有限责任公司官地煤矿，山西太原030022）摘要：在研究采煤机端头姿势形态的基础上，对扩展截割路径记忆截割方式进行了系统性分析，并收集到采煤机各个部位的工作状态信息，作了归一化处理；之后通过追踪研究了采煤机的扩展截割路线，将各个离散型点使用特殊的插值计算加以模型化拟合处理，获得了立体的三维拟合值曲线模型，以期增长采煤机运行时的平稳度，提高工作面的生产效率。关键词：采煤机端头扩展截割路径记忆截割中图分类号：TD421.6文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0042-03引言相比于 20 世纪，近些年国内的煤炭生产在安全性与可靠性方面都取得了显著的提升，然而放眼世界，我国与世界上的发达国家相比，井下的安全事故仍旧要高出一截，究其原因，根本因素是国内的煤层赋存条件相对恶劣，技术因素是我国相比于发达国家在井下的智能化方面仍然存在一定的差距。根据相关人员报道，我国地下工作面的生产事故发生率高达80%以上，每年矿山事故发生概率占全球矿山的 1/2以上。因此，还需要在综采设备的自动化、智能化方面下很大的功夫，力求达到井下“少人化”甚至“无人化”开采，也许在未来的某一天，我国可以在采煤机自动截煤、液压支架自动跟踪支撑、刮板输送机自动运输等关键技术上取得突破。本文将山西某矿的综采工作面作为研究背景，该工作面的端头工作情况恶劣，煤岩体分层处不稳定，因此就造成了采煤机在工作时，由于负载不稳定，从而使得其在运输时达不到平稳状态；本文分析了扩展截割路径中各个记忆点的特点，然后建立了包括记忆点与常规点在内的记忆点集合，最后具体研究扩展截割路径的跟踪目标1。1基于截割路径的采煤机端头姿态研究采煤机端部姿态的研究是本文的基础。在研究采煤机端部姿态时，应该假设采煤机所服务的工作面底板大致平坦，也就是说随着工作面的推进，端头处的倾角大小基本不变。在采煤机运行途中，它是通过与刮板输送机的啮合来实现的，可以将刮板输送机与采煤机之间的啮合点作为一个特殊点来研究，从而得到具体的采煤机右侧端头位置的定位图，如图 1 所示。观察图 1，可以将 x 轴的方向作为刮板材料输送的运动方向，其中以 x 轴的运动方向作为其前进的方向；但是，由于 y 轴的方向指向了正好垂直于作业面的岩层底板面积，其正向运动方向所指的位置也正是采空区面积；最后的 z 轴指向，它的正向方向恰好指示的是煤层壁。如图 2 所示为采煤机右端截割路径。图 2 中，1 表示结果值头的正向截割过程，2 表示结果值头的截割过程，3 表示采煤机的三角截煤过程，4 表示采煤机的反向截割过程。在采煤机的斜切进刀过程中，随着支护顶板的液压支架开始推溜时，会有一定的角度诞生在刮板输送机的中央，大体近似于一个弯状结构。摇臂的倾角幅度大小、油缸的位移距离以及采煤机在运行时的整体倾斜角度，共同影响了采煤机处于端头处的工作姿态，然而采煤机运行时的整体倾斜角度又由工作面底板的倾角决定，因此综合以上分析可以断定，采煤机在端头处的姿态可以由摇臂的倾角以及采煤机整体倾角共同确定2，采高 H 可以由式（1）计算得出。H=h+L1sin（1-）+R.（1）式中：h 为摇臂与工作面底板之间的中心距；L1为采煤机滚筒与摇臂之间的中心距；1为摇臂在水平方向与轴向方向二者之间的角度；为采煤机在运行过程收稿日期：2022-02-07作者简介：张骁亚（1990），男，河北石家庄人，本科，毕业于天津职业技术师范大学机械设计制造及自动化专业，机电工程师，研究方向为机电。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.016图 1采煤机端头位置示意图图 2采煤机端头截割示意图滚筒高度/my采煤机位置/m平巷xO试验研究2023 年第 2 期中的方向与水平方向之间的角度；R 为采煤机的滚筒尺寸。2扩展截割路径的记忆方式分析当采煤机在端头处截割作业时，传感器要每过一定的时间来对设备进行扫描，同时要求每次扫描后收集的数据要超过 100 个。在数据处理时，如果将所有采集到的点都作最终处理，那么将极大地增加研究的工作量，而且十分不合理，因此，要将所收集到的点展开进一步的筛选。这些收集到的点被称作记忆点，主要分为两种，即一般点与特殊点。一般点就是相距一定距离，采煤机收集到的点；特殊点就是通过人工干预，将命令发送至采煤机的传感器所收集的点。为了符合向量机的要求，需要将非线性的映射方法结合到更高维度的线性空间内，与此同时，还要在其空间内建立最佳的分类，因此就实现了非线性分类到线性分类的转化。经过上述转化过程，采集到了采煤机各个部位的工作状态信息，其总体是大量的，现将一部分处理结果列举，如表 1 所示。观察表 1 可以发现，C1 和 C2 分别表示采煤机的左、右两侧牵引电动机的电流大小，C3 和 C4 分别表示采煤机的左、右两侧截割部位的电流大小，C5 则代表采煤机在运行过程中的速度大小，而 D1 和 D2 则表示采集到的一般点以及特殊点。将数据进行归一化处理，所得到的最后结果如图 3 所示。观察图 3 可以发现，特殊点集中在下侧，且占据着总体的绝大部分，而一般点则集中在上侧，只有不到总体的 6%。3扩展截割路径的跟踪分析本文所提到的跟踪路径，换句话说是根据采煤机端头在截割时的运行路径，将离散点定义为追踪路线的信息，其特殊点由星号显示出，而通过插值计算就能够将所有的离散点转换为拟合值曲线。本文中就实现了对采煤机端头处的截割路线的追踪工作。而在前文里也指出，采煤机端头处的进刀形状近似于弯曲形，所以可由插值算法实现模型的拟合工作。经由特定的插值算法将采煤机端头处的进刀路线进行插值拟合，从而就得到了如图 4 所示的三维立体拟合曲线，从而可以得出结论，由该方法获得的拟合曲线是十分可靠的。将扩展截割路径的跟踪动作细分为两类，一类为轨迹跟踪，另一类为动作跟踪3。其中，动作跟踪主要是向特殊点下发指令，进而调节采煤机的工作姿态；轨迹跟踪则是囊括了一般点及特殊点，该类跟踪主要的工作是对采煤机油缸位移大小的调控，采煤机油缸的位移由整个采煤机的倾斜角度和摇臂的倾斜角度决定。如果采煤机的截割高度脱离了拟合曲线，那就需要将油缸的位移大小进行调整，如下页图 5 所示。图5 中 O 为特殊点，a 为摇臂铰接到采煤机的位置，b 为滚筒铰接到采煤机的位置，c 为滚筒伸缩杆和采煤机摇臂铰接位置，d 为采煤机滚筒轴的中心，b 和 c 之间的中心距离是油缸产生的位移大小。通过观察图 5 可以算出记忆点以及油缸二者的位移距离，从而能够实现跟踪目标轨迹的效果。通过记忆点采集到的采煤机工作状态参数信息，来进行对采煤机的手动监控，其跟踪的动作范围主要涉及采煤机的运动速率大小、启动和终止，以及在采煤时的动态轨迹变化等。序号C1C2C3C4C510.4700.5060.5300.5110.274D1530.6510.6740.5190.9310.880D21010.5390.7170.5590.8290.866D12510.4220.3890.5300.5450.007D22550.7230.8030.6020.9230.694D14010.4390.4610.5580.5140.340D14080.6060.6410.5330.9880.563D24960.4700.4710.5580.5410.279D15000.4910.4490.5630.5320.441D2表 1部分处理数据图 3归一化处理结果图 4三维立体拟合曲线示意图1.51.00.50.0-0.5-1.00.90 0.75 0.60 0.45 0.30 0.15 0.000.00 0.15 0.30 0.45 0.60 0.75 0.90采煤机牵引速度采煤机左截割部电流记忆点类别一般点特殊点4.54.03.53.02.52.01.51.00.51.41.21.00.810152025303505采煤机位置截割深度采煤机摇臂高度记忆点插值曲线张骁亚：基于扩展截割路径的采煤机端头记忆截割方法研究43机械管理开发第 38 卷4结语本文通过对采煤机端部姿态变化的相关研究，对扩展截割路径的记忆方式进行了系统的总结和研究，为满足向量机的实际需求，将非线性的映射方式结合在更高维的线性空间里，通过最佳的分类方式，采集到了采煤机各个部位的工作状态信息，并作归一化处理；之后通过跟踪方法研究了采煤机的扩展截割路线，将各个离散型点使用了专门的空间插值计算加以模型拟合处理，这样也就获得了立体的三维拟合值曲线模型。另外，文章中还具体分析了追踪方法，并把研究方向细分成两个部分，即轨迹追踪和动态跟踪。经过一系列研究，在一定程度上增长了采煤机运行时的平稳度，提高了工作面的生产效率，同时也为相关研究提供了理论依据。参考文献1王左生.基于扩展截割路径的采煤机端头记忆截割方法探索J.江西煤炭科技，2018（4）：67-69；72.2史岩鹏.采煤机截割部扭转轴优化设计研究J.机械管理开发，2020，35（9）：51-52；55.3刘斌.采煤机端头记忆截割负载动态平衡方法研究J.煤炭与化工，2018，41（6）：72-74；77.（编辑：李俊慧）图 5采煤机油缸调节示意图Research on Memory Cutting Method of Coal Mining Machine End Based on ExtendedCutting PathZhang Xiaoya（Guandi Coal Mine,Shanxi Coking Coal Group Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030022）Abstract:Based on the study of the posture of the coal miners end,a systematic analysis of the extended cut-off path memory cut-offmethod was carried out,and the information on the working state of each part of the coal miner was collected and normalized;afterwards,the extended cut-off path of the coal miner was studied by tracing,and each discrete point was modeled and fitted using a specialinterpolation calculation to obtain a three-dimensional fitted curve model The model is designed to increase the smoothness of the coalminers operation and improve the productivity of the working face.Key words:coal mining machine;end head;extended cut-off path;memory cut-offddaaccbb（x0，y0，z0）O11221工及安装措施，并将优化后的动静万能试验机进行实际工程应用，检验优化后的动静万能试验机的实际应用效果。结合实际情况来看，相较于优化前，优化后的动静万能试验机可有效降低能耗、提高模拟精度，进而保障试验模拟结果的精准性。5结语本文通过有限元分析方法，对动静万能试验机中直线电机技术的应用可行性进行仿真分析模拟，进而初步确认动静万能试验机中直线电机技术的应用价值。同时，针对动静万能试验机中直线电机技术应用时存在的问题，本文分别从整机隔振和零部件加工及安装两个角度提出优化措施，