悬臂式掘进机截割臂互换性设计

针对现有掘进机多采用单一的横轴式或者纵轴式整机,对不同岩层掘进工作的适应能力差等问题,提出一种面向不同岩层的掘进机截割臂互换性设计方案。对纵、横轴式2种掘进机的结构特点与性能进行了对比分析;针对2种截割臂工作模式的特点,分别设计了相应的截割减速器。Solidworks仿真结果表明,与单一横轴式或者纵轴式掘进机相比,采用互换式截割臂结构可有效提高掘进机对不同岩层截割工作的适应能力,提高掘进效率,节省设备运输及使用成本。     

悬臂式掘进机自动调速控制技术的研究

针对通用悬臂式掘进机截割控制存在无法实现截割轨迹规划与自动调速控制的问题,本文研究了悬臂式掘进机自动调速控制技术,借助PCC与工控机实现悬臂式掘进机的自动调速控制,利用ABAQUS软件对截割头与煤层三维模型进行有限元分析,以获取相关工况信息的关系,采用改进S形切割线路规划截割轨迹,构建截割臂摆动全局最优速度模型,最终采用模糊PID控制算法实现控制量计算,获取截割臂的最优控制,并通过反馈至工控机,由工控机下达可获取截割臂最佳摆动速度的控制指令。     

基于 GAs 模糊控制的掘进机截割电动机恒功率控制

为了解决悬臂式掘进机截割随机分布的煤岩时载荷变化剧烈、能量消耗大、工作效率低的问题,利用遗传算法对悬臂摆动速度进行模糊控制,实现对截割电动机的恒功率控制。建立了掘进机悬臂水平摆动系统的仿真模型,利用Matlab软件对模型进行仿真。结果表明：该系统较传统控制方式的悬臂摆动速度波动减小25.9%,截割电动机功率超调小5.0%,调节时间缩短0.1s,响应速度快、精度高,具有良好的控制特性,能根据截割煤岩的不同,自动调节悬臂摆动速度,降低了掘进机功率损失、提高了工作效率。     

悬臂式掘进机自动控制系统设计

针对目前悬臂式掘进机机身定位存在精度低、自动化控制性能差和工作效率低等问题,设计了悬臂式掘进机自动控制系统,详细介绍了系统硬件、软件的设计。该系统采用姿态检测技术和自动截割技术,实现了对悬臂式掘进机的精确截割与自动控制。     

煤岩特性对掘进机截割头载荷的影响分析

针对煤岩条件对掘进机截割头载荷的影响问题,提出采用有限元仿真方法对截割头截割过程进行动态仿真分析。以煤岩普氏系数为煤岩特性参数,经仿真得到不同煤岩条件下的截割头动态载荷,通过分析得到了截割头三向力随煤岩普氏系数的变化规律,即截割头载荷随煤岩普氏系数的增加而增大,且当煤岩的普氏系数增大到一定程度时,截割头的牵引阻力将成为截割头的最大载荷,而侧向力一直处于较低的水平。     

悬臂式掘进机截割断面极限位置分析

针对悬臂式掘进机机身位姿出现偏差时截割断面会出现偏差而严重影响定向掘进的问题,提出了一种控制截割臂进行截割断面自动补偿的方法;分析了截割臂回转和升降摆动控制原理,建立了截割臂回转和升降联合模型,并给出了该联合模型的Matlab仿真验证及控制截割臂进行截割断面边界补偿的应用方法。仿真结果验证了该方法的正确性。     

掘进机截割臂摆速自动控制方法研究

由于掘进巷道煤岩时有硬度急剧变化现象,人工操控难以及时有效改变掘进机截割臂摆速,会严重影响截割头截齿与截割电动机的使用寿命。针对该问题,在分析截割臂摆速v、截割电动机电流I和煤岩硬度f之间的关系的基础上,提出了基于PID技术的截割臂摆速自动控制方法,即将截割电动机额定电流与实际电流之差值(I0-I)作为输入变量,通过比例单元、积分单元和微分单元的线性组合,对控制电液比例阀阀口开度的电流I1进行控制,从而控制截割臂摆速;依据煤炭行业标准MT/T971—2005,提出了5%的控制精度标准。该控制方法达到了替代人工操控、有效保护截齿和截割电动机,并同时使得截割电动机始终满载恒功率工作的目的。     

基于C7-636的悬臂式掘进机截割过程可视化监控系统

为解决掘进机在工作过程中粉尘大、操作者看不清截割头的实际位置而造成欠挖和超挖的问题,文章设计了一种基于C7-636的掘进机截割过程可视化监控系统,详细介绍了系统组成及可视化截割过程监控界面的实现,并给出了系统软件设计。该系统显示的曲线和数据,可为操作者提供实时信息,以减小掘进机在实际开凿巷道过程中的超挖与欠挖现象,提高施工质量。     

悬臂式掘进机截割头位姿视觉测量系统改进

基于红外LED特征的悬臂式掘进机截割头位姿视觉测量系统中,外参标定稳定性和红外LED光斑中心提取精确性对截割头位姿检测精度具有重要影响。现有外参标定方法需依靠经验将截割臂摆至正中位置(未知),标定结果存在较大波动。针对该问题,提出了一种基于多点固定的外参标定方法,该方法控制掘进机截割臂分别摆动到左上角、右上角、左下角、右下角4个已知极限位置并采集标靶图像,计算外参矩阵值,可有效提高外参标定稳定性。现有的灰度质心法采用像素的灰度值作为权重来计算光斑质心,精度只能到像素级,仅粗略满足实际应用需求。针对该问题,提出采用亚像素级边缘检测算法改进光斑中心提取方法:首先采用灰度质心法进行光斑中心粗提取,然后采用亚像素级边缘检测算法求出亚像素级边缘坐标,最后使用最小二乘法拟合光斑中心,实现光斑中心精确提取。实验结果表明:改进光斑中心提取方法将标靶LED灯间距最大测量误差从3.2mm缩小为1mm,提高了检测精度;基于多点固定的外参标定方法所获得的外参数矩阵比较稳定,平移矩阵中位移的最大变化幅度为15mm,旋转矩阵中角度的最大变化幅度为1°;视觉测量系统改进前对截割头摆角的测量误差范围为[-1.2°,1.7°],改进后截割头水平摆角误差范围为[-0.5°,0.5°],垂直摆角误差范围为[-0.6°,0.6°],说明改进方法有效提高了截割头摆角的检测精度。     

悬臂式掘进机截割机构振动特性研究

悬臂式掘进机工作中常会遇到煤层硬度突然变大,使截割机构发生异常,甚至导致截齿断裂、减速器齿轮受损、截割电机转子不平衡等故障,为了实现对掘进机截割机构运行状态的远程监控,在分析掘进机截割机构工作原理及重要部件频率特征的基础上,提出了采用Hilbert-Huang分析方法的掘进机截割机构异常振动特性研究,在MATLAB中进行了仿真,得到了截齿断裂、减速器齿轮断齿、截割电机转子不平衡状态下振动信号的频谱特征和能量特征,为实现掘进机截割机构运行状态的远程监控奠定了基础.     

纵轴式掘进机自动截割断面边界控制误差分析

为实现掘进装备的高精度自动截割、自主巡航,提出了一种纵轴式掘进机自动截割断面边界控制误差分析方法。明确了掘进机自动截割控制系统的误差来源,主要包括系统稳态误差、传感器精度、截割臂惯性、系统控制方法及其他非理论计算因素。对系统进行了仿真,结果表明负载干扰对系统的稳态特性影响较小,系统是稳定的。对各单项误差进行了计算,最终得到自动截割断面水平边界最大控制误差为71.30mm、垂直边界最大控制误差为55.27mm,达到《煤矿井巷工程质量检验评定标准》中规定的最高(优良)标准。进行了掘进机自动截割控制地面试验,实际测量得到系统断面水平边界最大控制误差为45mm、垂直边界最大控制误差为12mm。     

悬臂式掘进机截割机构状态诊断策略研究

悬臂式掘进机工作中常会遇到煤层硬度突然变大,使截割机构发生异常,甚至导致截齿断裂、减速器齿轮受损、截割电机转子不平衡等故障.为了实现对掘进机截割机构运行状态的远程监控,在分析掘进机截割机构工作原理及重要部件频率特征的基础上,采用Hilbert-Huang分析方法,在MATLAB中仿真得到了四种不同状态下振动信号的频谱特征和能量特征,基于支持向量机算法设计了系统的多故障分类器,通过仿真测试验证了上述分类器能有效地诊断出系统的故障部件,为实现掘进机截割机构运行状态的远程监控奠定了基础.     

纵轴式掘进机截割头载荷影响因素的仿真分析

针对现有掘进机截割头载荷特性研究方法采用单一影响因素不能全面反映截割头载荷及其波动变化规律的问题,通过分析截割头瞬时载荷,确定了纵轴式掘进机在水平截割工况下截割头载荷的主要影响因素有截割岩石特性、截割头掏槽深度、截割头吃刀深度、截割头转速和截割臂摆速。针对某纵轴式掘进机水平截割工况,采用Matlab对影响截割头载荷的多种因素进行仿真分析,得到了各向载荷及其波动随各因素的变化规律:截割头载荷随着岩壁普氏系数的增大而增加,其中横向阻力增加尤为明显,横向阻力波动程度高于其他方向载荷,且随着岩壁普氏系数的增大呈减小趋势;随着截割头掏槽深度的增加,截割头各向载荷近似呈线性增加,其中升力增加幅度最大,各向载荷波动则随着截割头掏槽深度的增大而减小;随着吃刀深度的增加,截割头载荷总体呈增大趋势,载荷波动程度则随之减小;在截割头转速一定的情况下,截割头载荷均随着截割臂摆速的增加而增大,在同一摆速下,截割头载荷随着截割头转速的减小而增大,横向阻力波动明显高于升力和推进阻力波动,横向阻力和推进阻力波动按截割头载荷规律变化,升力波动则与之相反。截割头载荷波动变化规律与截割头载荷变化规律不尽一致,有时甚至相互冲突。因此,掘进机作业过程中应合理选择截割头掏槽深度、吃刀深度等操作参数和截割头转速、截割臂摆速等运动参数,使各参数相互匹配,以减小掘进机振动,延长使用寿命。     

数字孪生驱动掘进机远程自动截割控制技术

目前掘进机远程截割控制方法大多基于视频监控与平面信息,巷道断面成形质量取决于人工操作经验,可靠性较低。针对该问题,研究了数字孪生驱动掘进机远程自动截割控制技术,从数据感知、数据驱动、数据传输、远程自动截割控制等方面介绍了数字孪生驱动掘进机自动截割的实现过程。采用视觉测量技术获取掘进机位姿数据、气体传感器等获取掘进环境数据,构成数字孪生驱动的数据来源;建立掘进机虚拟模型和虚拟场景并完成虚拟模型动作编程及虚拟模型与虚拟场景的耦合,通过求解掘进机运动学正逆解,实现掘进机与虚拟模型交互;基于三次多项式方法进行巷道断面"S"形截割轨迹规划,设计反馈线性积分滑模控制器实现截割轨迹跟踪控制;采用MySQL数据库作为数据交互媒介,通过井下工业以太环网及矿用5G技术实现数据远程传输。实验结果表明,掘进机截割头能稳定跟随规划轨迹,且同一时刻虚拟界面显示的掘进机截割头位姿与实际位姿一致。     

纵轴式掘进机截割头辅助设计软件开发及应用

基于煤岩截割机理及截割头设计理论,采用MATLAB与EXCEL开发纵轴式掘进机截割头辅助设计及载荷计算软件。该软件可绘制截齿排列图、载荷图以及切屑图,同时生成载荷TXT文本,为截割头参数化建模以及掘进机动态仿真提供数据。使用该软件可快捷研究各个设计参数对掘进机截割性能的影响,找到最优的截割头设计方案。以EBZ220型掘进机截割头的设计为工程对象,以截割比能耗最低为目标,找到最适合该型号掘进机的截割头设计参数,生成截齿排列均匀、结构合理的截割头实体模型。为纵轴式掘进机截割头设计提供了一种新的方法,具有重要的理论意义及工程应用价值。     

悬臂式掘进机器人巷道成形智能截割控制系统研究

针对目前煤矿井下掘进过程自动化程度低、掘进效率低、巷道成型质量差等问题,提出了一种悬臂式掘进机器人巷道成形智能截割控制系统。该系统结合巷道尺寸和截割工艺要求,基于三次多项式光滑函数的悬臂式掘进机器人关节空间轨迹规划方法,通过建立的悬臂式掘进机器人坐标系统及悬臂式掘进机器人运动学正问题与逆问题求解,确定轨迹规划光滑函数参数;规划好截割轨迹后,以视觉定位方法获得的悬臂式掘进机器人截割头位姿数据作为反馈量,基于反馈线性化积分滑模控制器的截割轨迹控制算法实时计算控制量,以规划轨迹点和视觉测量位姿点构建反馈控制系统,实现对悬臂式掘进机器人巷道成形截割过程的动态控制。实验结果表明,该系统能够实现悬臂式掘进机器人巷道成形截割过程的智能控制,定位精度高,稳定性好,轨迹跟踪误差小于25.61mm,可满足巷道成形质量需求。     

基于Matlab的纵轴式掘进机截割头切削过程的模拟研究

介绍了理论截槽以及切屑图的绘制原理,使用Matlab编程实现了截割头切削过程的模拟,画出了切屑图,并给出了每一个截齿在不同工况下的切屑面积和偏载荷系数。应用该程序可快速判断截齿排列在给定的截割参数下是否合理,为截齿排列的设计和检验提供了手段。     

斜切工况下采煤机滚筒截割煤岩仿真分析

为研究斜切工况下采煤机滚筒的运动规律及受力特性,利用ADAMS建立了斜切工况下采煤机虚拟样机模型,通过运动仿真得到了斜切工况下采煤机滚筒运动曲线,并以该曲线作为滚筒运动边界条件;采用LS-DYNA对斜切工况下采煤机滚筒截割煤岩进行了模拟仿真,得到了斜切工况下滚筒受力特性。仿真结果表明:斜切工况下滚筒的截割阻力和牵引阻力逐步增大并最终趋于稳定,且截割阻力约为牵引阻力的2倍;滚筒轴向力呈先增大后减小趋势,最大轴向力出现在滚筒轴向位移达到最大时,且滚筒轴向力与轴向位移密切相关;滚筒力矩主要由截割阻力和轴向力产生,且力矩大小变化趋势与产生力矩的作用力的变化趋势一致。     

悬臂式掘进机虚拟仿真平台设计

悬臂式掘进机广泛应用于煤矿井下巷道施工,掘进机的培训包括传统的书本教学方法和基于井下实际操作的训练方法,但是由于其场地和安全的局限性,无法满足训练要求.针对这一现状,利用虚拟现实技术和交互仿真技术构建了悬臂式掘进机虚拟仿真平台.该平台采用三维建模技术,使用多边形建模方法制作了悬臂式掘进机、转载机、供电系统等三维模型;运用Unity3D引擎驱动三维模型组成的虚拟场景,采用场景优化技术实时渲染出沉浸式的虚拟场景;在脚本语言C#编程环境下实现操作流程顺序控制、操作描述、三维模型驱动等,实现悬臂式掘进机虚拟仿真培训.培训结果表明,沉浸式人机交互可达到与实物培训相类似的效果,提高使用者学习和操作悬臂式掘进机的效率.     

基于倒谱距离的采煤机煤岩截割振动信号识别

在基于煤岩截割振动信号分析的煤岩界面识别过程中,针对常规时频域分析方法对噪声敏感、振动信号能量变化适应性差等问题,提出一种基于倒谱距离的采煤机煤岩截割振动信号识别方法。通过分析振动传感器采集的采煤机不同负载状况下的截割振动信号,得出结论:与采煤机割岩状态相比,割煤状态下得到的振动信号与空载状态下的标准信号的倒谱距离更大;割岩状态下振动信号的倒谱距离呈明显的周期性,且周期为滚筒旋转1周的时间,而割煤状态下的振动信号无此特征。工业试验结果表明,该方法在煤岩硬度差大于10 MPa时,识别准确率达75%。