受汽车无人驾驶启发的液压支架智能协同控制

针对综采工作面液压支架控制精度低、协同性差、推移不齐等问题,借鉴汽车无人驾驶技术,提出了一种液压支架智能协同控制方法。将综采工作面每台液压支架看作是一辆“汽车”,该“汽车”靠移架动作向前行驶,靠底调、侧护板调整行驶方向,液压支架群组就像排成一排的“汽车”按照一定顺序前行,并保持排列队形。每台液压支架都有固定的目标行程,并受左右侧支架的位置约束,能够关注前方采煤机运行情况,兼顾邻架的状况,从而实现液压支架智能协同控制。该方法从液压支架精准推移控制、平行移架控制、护帮板控制、自动跟机闭环控制等方面探讨了液压支架智能协同控制,为解决综采工作面液压支架控制问题提供了一个思路。     

液压支架工作状态模糊识别系统研究

针对目前综采工作面液压支架压力监测系统只能监测综采工作面压力,不能对液压支架工作状态进行识别的问题,设计了一种液压支架工作状态模糊识别系统。该系统可对现有的综采工作面液压支架压力监测系统监测到的压力数据进行模糊识别,根据模糊识别输出值即可判断液压支架的5种工作状态,即降架、移架、升架、增阻、卸压保持;当液压支架处于增阻工作状态且增阻时间过长时,该系统可及时通知液压支架操作工增大液压支架压力,辅助实现顶煤破碎。测试结果验证了该系统的可行性。     

无线液压支架控制器设计

针对有线液压支架控制器在实际操作过程中存在的布线困难、易损坏、操作范围受限等问题,设计了一种无线液压支架控制器,介绍了以MSP430F149为控制核心的硬件电路设计,阐述了基于事件触发的控制器软件设计思路及按键中断服务程序和通信中断服务程序设计方案。测试结果表明,该无线液压支架控制器实现了单台液压支架控制、邻架控制及支架成组控制,数据传输速率为115 200bit/s,误码率为0,控制距离达25m,待机功耗仅为10mW,支架动作响应时间不超过500ms。     

基于架间行走机器人的液压支架直线度测量方法

针对目前液压支架直线度测量方法存在测量维度低、误差较大、易受粉尘影响等问题,提出了一种基于架间行走机器人的液压支架直线度测量方法。该方法主要用于支撑掩护式支架,在架间行走机器人上布置传感器,用于直接测量液压支架底座的横向偏移、纵向偏移、横向斜角和纵向倾角等多维位置偏移信息,从而通过支架位置偏移量表征液压支架的直线度信息。试验结果表明,相邻两架偏移误差值在0.2cm以内,相邻两架角度误差在10′以内;当模型增加到100架支架,依据常规液压支架1.5m的中心距计算,在工作面长度为150m时,预计会产生位置偏移累计误差10cm,角度累计误差8°20′,对于长度不超过150m的短距离综采工作面,这个累计误差在可接受的范围内,可满足液压支架直线度的测量需求。相比于传统的一维测量信息,该方法通过4维位置偏移信息可为液压支架群的控制提供参考。     

液压支架试验台自动进出架装置设计

针对液压支架检验时进出试验台效率低且易发生伤人事故的问题,设计了一种液压支架试验台自动进出架装置。采用电动机驱动进出架小车,通过专用轨道将被试支架运输至试验台指定位置;为了使进出架小车将液压支架运送到指定位置后能自由退回,设计了一种水平放置的举升油缸:举升油缸安装在试验台底座内部,通过其推动楔形水平移动块,带动楔形垂直移动块在底座内部沿轨道上下垂直运动;在楔形垂直移动块上按照进出架小车U型内部空间尺寸布置16根顶杆,垂直穿过试验台底座预留的小孔,进入试验台上的被试液压支架,使其与进出架小车脱离,进出架小车退出复位,再放下被试支架,进入试验状态。分析计算结果表明,该装置额定载荷超过120t,满足液压支架自动进出试验台的需求。实际应用表明,该装置避免了进出架小车不必要的受力加载,实现了进出架全过程的自动化,缩短了液压支架进出试验台的时间,消除了安全隐患。     

大采高液压支架自动控制技术研究

针对大采高工作面在生产中存在着顶板压力大、片帮冒顶严重、支架失稳等问题,分析了大采高液压支架自动化控制技术需求,从工作面顶板、工作面煤壁管理、液压支架的防滑与防倾倒控制、多级护帮联动控制、液压支架智能跟机控制几个方面对大采高液压支架自动控制技术进行了研究:采用液压支架的自动移架控制和自动补压技术可使工作面液压支架对工作面顶板的支撑力达到预设值,从而实现对工作面顶板的有效管理;通过护帮板的姿态控制和支承压力控制可有效提高工作面煤壁的管理效率,防止片帮事故的发生;采用倾角传感器、行程传感器和激光传感器检测支架姿态,可实现工作面液压支架的伪斜自动控制;通过在护帮板上安装接近传感器实现多级护帮板的逻辑控制;采用红外传感器检测采煤机位置,按照采煤工艺实现大采高液压支架的跟机自动化控制。     

基于PM31系统的液压支架成组多架同步自动控制的研究

针对PM31液压支架电液控制系统存在单个支架的非自动控制效率低、成组单架的顺序自动控制速度滞后于割煤速度的问题,提出了一种利用该系统中液压支架控制器的固有程序来实现成组多架同步自动控制的方案,即通过干线电缆及终端器将每个支架的控制器互联,控制器根据采集到的支架推移行程传感器和立柱压力传感器中的数据控制电磁、电液驱动装置执行成组支架同步动作。实践表明,该方案应用效果良好,大大提高了综采工作面的回采效率。     

工作面液压系统流量补偿技术研究

目前工作面液压系统的优化研究对连续推进过程中液压系统压力流量特性的分析较少,对液压系统压力流量波动问题缺乏简单有效的解决方案。针对工作面快速移架需求,以张家峁煤矿2-2煤层新建大采高工作面为工程背景,采用AMEsim软件建立了单台液压支架和成组液压支架仿真模型,基于自动跟机移架中千斤顶的动作时序,对煤炭开采过程中液压支架移架推溜过程进行仿真,分析了不同数量液压支架同时动作时工作面液压系统的压力流量变化情况,指出移架过慢的原因是液压支架瞬时需液量超过泵站最大流量,同时在液压支架成组运动过程中存在瞬时需液量不足和部分时刻泵站供液能力过剩的矛盾。针对液压系统间歇性大流量需求,提出了基于蓄能器的流量补偿技术,通过仿真验证了安装蓄能器后液压系统的压力波动被明显抑制,各千斤顶运动速度明显提升。在张家峁煤矿新建工作面对基于蓄能器的流量补偿技术进行现场试验,结果表明接入蓄能器后,液压系统平均压降降幅达74.1%,压力波动受到明显抑制,验证了流量补偿技术可满足液压系统间歇性大流量需求,为快速移架提供保障。     

液压支架跟机自动化系统设计

针对目前液压支架电液控制系统自动化程度低的问题,设计了一种液压支架跟机自动化系统。该系统以采煤机牵引位置和方向为基准,根据预先设定的液压支架动作规则控制液压支架动作,使液压支架可跟随采煤机及时有序地进行带压移架和成组推溜操作。测试结果验证了该系统的可行性。     

液压支架精确推移控制方案研究与应用

针对液压支架液压系统存在控制精度差、支架推移步距不一致等问题,提出了一种液压支架精确推移控制方案。该方案通过引入推移控制逻辑阀,并优化电液控制系统自动推移控制流程,实现移架、推溜动作精确控制及销轴间隙自动消除功能。实验及现场应用结果表明,该方案提高了综采工作面液压支架自动推移控制精度,保证了支架推移步距的统一。     

液压支架自动跟机动态规律研究

目前针对综采工作面液压支架自动跟机问题的研究集中在基于外部环境变量来控制液压支架动作,在工作面长时间运行中无法保持很好的效果。考虑外部环境的变化最终会反映到液压系统中,提出以液压系统压力特性预测液压支架跟机动作时间。以陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司S1204工作面为工程背景,采用AMESim软件建立了单架液压系统模型和工作面液压系统模型,通过仿真分析得到移架和推溜同时动作时推移液压缸压力、行程等参数的动态变化规律,发现工作面液压支架自动跟机过程中推移液压缸进液口压力与拉架时间呈线性关系,说明可通过进液压力预测跟机动作时间。研发了工作面液压数据采集系统并安装于试验工作面,实时获取液压支架工作过程中推移液压缸进液口压力,并计算出对应的移架时间,得出二者具有强线性相关性,与仿真结果一致。采用线性拟合方法得出进液压力与拉架时间的关系式,实现了基于液压系统进液压力预测拉架时间,提高了自动跟机的准确性,减少了人工调节率。     

液压支架支护状态分类及感知原理研究

针对目前液压支架单一的姿态测量无法全面反映其综合状态,且无法实现液压支架支护状态精确感知的问题,以两柱掩护式液压支架为例,基于液压支架三维空间受力模型,从空间几何状态和结构承载2个方面对液压支架支护状态分类及稳定性进行了分析,指出液压支架支护关键影响参数为倾角、压力和销轴力。液压支架与围岩处于非耦合状态时易发生几何失稳:构建几何平衡方程,得出重心高度和工作面倾角是影响稳定性的关键因素;提出了顶梁、底座和前连杆3个倾角确定液压支架重心位置的方法,利用双轴倾角传感器实现状态感知。液压支架与围岩处于耦合状态时易发生承载失稳:构建液压支架合力作用点的精确求解方程,通过测力销轴实现顶梁与掩护梁铰接点作用力的感知,并根据平衡区理论判定承载失稳类型。     

液压支架初撑力手动增压装置设计与应用

针对液压支架初撑力不足导致的工作面顶板过早离层、切顶线前移和煤壁片帮等安全问题,设计了一种液压支架初撑力手动增压装置。该增压装置与原升架液压系统的液控单向阀并联,在不影响正常升架的前提下通过手动操作补液增压,提高支架初撑力。对应用手动增压装置前、后的增压控制回路进行AMESim建模及仿真,通过对比分析发现,手动增压装置的增压效果明显;在某煤矿工作面ZY8500/21/45D型支架上进行现场试验验证液压支架初撑力的增压情况,结果表明,该手动增压装置能够显著提升支架初撑力,满足煤矿开采需求。     

综采液压支架姿态监测及控制技术

目前通常采用倾角传感器实现液压支架姿态,但液压支架在综采工作面的位置是动态变化的,为保证数据监测准确,倾角传感器需要定期进行坐标校准,同时倾角传感器安装方向也有一定的要求,致使安装维护不便。针对上述问题,提出了一种综采液压支架姿态监测及控制技术。通过支架上安装的测高传感器配合底座倾角传感器监测支架高度、倾角变化情况,实现支架姿态实时监测;支架控制器将传感器监测数据上传至工作面监控中心SAC电控监控主机,若传感器监测数据与设定值有偏差,则通过监控中心支架操作台实现支架姿态远程调整,也可通过控制器程序设定自动调整支架姿态,实现支架姿态及时控制,有效防止支架运行过程中出现挤架、咬架等问题。     

基于视觉测量的液压支架位姿检测方法

针对目前综采工作面液压支架位姿测量方法存在实施成本高、精度和实时性较差的问题,提出了一种基于视觉测量的液压支架位姿检测方法。通过在液压支架上设置红外LED标识板,利用安装在采煤机上的防爆相机进行图像采集,基于4个共面特征点的视觉算法对图像进行处理与解算,得到液压支架底座的位姿,根据液压支架的位姿坐标可以得到其在多个方向的直线度。实验结果表明,该方法测量的液压支架位姿检测精度在0.7°以内,直线度精度在20mm以内,满足综采工作面液压支架的检测精度要求。     

基于双CAN总线的液压支架控制系统的设计

针对矿井综采工作面环境恶劣及液压支架节点数量较多的问题,文章提出了一种基于双CAN总线的液压支架控制系统的设计方案,分析了系统工作环境,给出了系统结构,详细介绍了控制器节点的硬件及软件设计,并阐述了双CAN总线通信的实现。该系统根据系统的工作要求将总线上的数据分为邻架操作和支架状态2种数据,并且分2个不同的通道传递数据,在总线出现故障时实现通道的自动切换功能。实际应用表明,在总线和所有节点工作正常的情况下,该系统的实时性比采用单个CAN总线有较大提高;在1条总线中断的情况下,基于单CAN总线的通信系统将瘫痪,而基于双CAN总线的通信系统仍可正常工作,且实时性能与基于单CAN总线的通信系统相比没有下降。该方案为双CAN总线的应用和提高液压支架控制系统通信网络的性能提供了一个新的设计思想。     

液压支架运行状态分级监测系统研制

针对现有液压支架状态监测系统参数监测集中程度低,不能同时为就地控制和集中控制提供实时数据的问题,研制了一种基于RS485通信网络的液压支架运行状态分级监测系统。该系统通过支架控制器实时采集各个传感器的运行参数,通过架间RS485通信将运行参数传输至工作面相邻支架控制器,为就地控制提供实时数据;同时,通过RS485通信将运行参数传输至端头控制器和集控计算机,为集中控制提供实时数据依据。井下工业性试验结果表明,该系统可实现液压支架运行参数的连续采集、实时上传、集中管理等功能,满足井下实际生产的需要。     

综采跟机自动化系统分析与建模

采用电液控制系统的综采或综放工作面,按照采煤工艺的要求,根据采煤机的牵引位置对工作面三机进行自动控制。利用机电一体化技术,制定液压支架护帮板收伸、自动喷雾、移架和刮板运输机移动等自动化动作规则,建立跟机自动化离散系统模型。为采用自动化技术的采煤工作面研究了一种新的、先进的半截深采煤工艺,并进行了工艺的计算机分析设计。     

在役液压支架部件剩余寿命估算

针对现有液压支架寿命估算方法很少考虑液压支架使用过程中技术性能不断下降而导致误差较大的问题,提出了在役液压支架部件剩余寿命估算方法。通过引入表面系数、结构尺寸系数和焊缝影响系数等来修正材料疲劳曲线,获得部件疲劳曲线;再根据累积损伤理论、剩余损伤容量和应力谱,利用部件的疲劳曲线进行寿命估算;采用多级模糊评定方法对在役液压支架顶梁进行状态评估,使用总体状态系数对寿命估算结果进行折合计算,获得在役液压支架部件的剩余寿命。试验结果表明,该方法的估算误差为3.52%,精度较高。     

基于多传感器数据融合的液压支架高度测量方法

针对综采工作面液压支架高度测量困难和测量结果不准确等问题,以两柱掩护式液压支架为例,推导了利用倾角传感器所测液压支架姿态角度计算液压支架高度的表达式。为减小倾角传感器角度测量误差造成的液压支架高度测量累积误差,提出了一种基于多传感器数据融合的液压支架高度测量方法,即利用分批估计算法和自适应加权算法将分别通过掩护梁和前连杆处倾角传感器所测角度计算得到的液压支架高度数据进行融合。实验结果表明,该方法对于623.2mm高液压支架样机的高度测量误差不大于0.3mm,与单一倾角传感器测高相比,精度提高了1mm。