平行矿山: 从数字孪生到矿山智能

针对新时代下我国矿区智能化发展诉求与矿山无人化进程中遇到的复现难、协同难的技术问题, 本文融合智慧矿山理念、ACP (Artificial societies + computational experiments + parallel execution)平行智能理论和新一代智能技术, 设计并实现了智慧矿山操作系统 (Intelligent mine operation system, IMOS), 为平行矿山智能管理与控制一体化提出了解决方案. 本文首先分析露天煤矿产业发展趋势; 国内外露天矿山智能化发展情况; 面向露天矿山无人化与智能化需求, 深度融合数字四胞胎理论, 设计了虚实融合的IMOS架构; 详细阐述了IMOS子系统架构与功能, 包括: 单车作业系统、多车协同系统、车路协同系统、无人驾驶智能系统、调度管理系统、平行系统、监管系统、远程接管系统和通信系统; 并探讨了IMOS关键技术, 即平行矿山仿真建模技术、无人驾驶技术、矿区通信技术和协同作业技术. 该操作系统是国内首套露天矿山无人化与智能化的一体化解决方案, 并能够迁移到不同矿区不同作业场景, 推动矿区智能化无人化发展, 减少人工干预从而降低安全风险, 大幅度降低人工成本, 提高生产作业效率, 并可结合社会发展要素为实现绿色可持续发展矿区提供支撑.     

带式输送机永磁驱动系统自抗扰同步控制策略

针对带式输送机永磁驱动系统采用PID控制器进行控制时电机的控制性能差和采用多电机驱动时电机间转速不同步、稳定性差等问题,提出了带式输送机多永磁电机驱动系统自抗扰同步控制策略。基于自抗扰控制(ADRC)技术设计了2种调速控制策略,并搭建仿真模型进行了对比试验;随后结合模糊PID控制技术对传统偏差耦合控制进行结构改进,并以矿用带式输送机多永磁电机驱动系统为控制对象,开展基于主从、传统偏差耦合和改进型偏差耦合同步控制结构的仿真。结果表明,基于二阶ADRC和改进型偏差耦合控制结构的带式输送机多永磁电机驱动系统同步控制策略具有更好的抗干扰能力、控制精度和同步性,有利于带式输送机平稳高效的安全运行。     

硅灰石增强铸型尼龙复合材料摩擦学行为研究

为了改善铸型(MC)尼龙的摩擦学性能,提出了一种硅灰石表面接枝MC尼龙的表面处理方法,并制备了表面接枝MC尼龙的硅灰石填充MC尼龙复合材料,测试了其力学和摩擦学性能.结果表明:表面接枝MC尼龙硅灰石填充MC尼龙与尼龙基体具有良好的结合界面,复合材料的硬度和拉伸强度分别提高了31%和26%,复合材料的拉伸断裂伸长率下降了68%.干摩擦条件下,MC尼龙复合材料的摩擦因数随硅灰石含量的增加而升高,5%质量分数硅灰石填充MC尼龙复合材料的摩擦因数达到0.5;水润滑条件下,硅灰石对MC尼龙摩擦因数影响较小,3种材料的摩擦因数均为0.18;2种试验条件下,填充硅灰石复合材料的磨损率显著降低,耐磨性能较纯MC尼龙分别提高了5倍和2倍.MC尼龙复合材料的磨损主要为磨粒和黏着磨损.     

四履带双摆臂机器人越障机理及越障能力

为发挥四履带双摆臂机器人的最佳越障性能,本文从运动学的角度,在固定双履带机器人越障机理的 基础上,分析了四履带双摆臂机器人克服台阶、斜坡、沟道等典型障碍的运动机理及其最大越障能力,重点研究了 四履带双摆臂机器人正向和反向两种攀越台阶方式的运动机理及其最大越障能力．以CUMT-II 型煤矿探测机器人 样机为例,绘制了机器人仰角、摆臂摆角与跨越台阶高度的3 维关系图,以及斜坡坡度与摆臂摆角关系曲线,并求 出了相应的最大越障能力的理论值,与实验室实测数据进行了对比分析．本文推导出机器人的最佳越障性能及对应 的质心和摆臂的位置,可为机器人越障时质心位置的控制提供理论依据．     

不同接触尺度下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦行为

采用UMT-II型多功能摩擦磨损试验机研究了不同接触尺度下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦行为,并利用有限元模拟方法对PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦机理进行了探讨。结果表明:滑动过程中PVA/HA复合水凝胶的平均摩擦力、平均摩擦因数及变形深度随接触压头直径的增加逐渐减小,而随着接触载荷呈逐渐增加的趋势;随着接触压头直径的增加,液相的承载能力增大,从而平均摩擦力、变形深度减小;随着接触载荷的增加,液相流失增加,液相的承载力降低,从而平均摩擦力、变形深度增大。     

防撞梁受冲击载荷的试验研究

为了解决防撞梁受冲击载荷时强度计算问题,首次在自制的提升机模拟试验台上研究了提升容器对防撞梁的冲击过程,得到了不同工况条件下的防撞梁瞬态冲击力变化曲线。对不同工况下的曲线进行线性回归,得到对应的拟合方程。结果表明:防撞梁的瞬态冲击载荷不仅与冲击距离呈线性关系,而且和提升容器下降侧与上升侧的张力差、提升钢丝绳的弹性系数有关。因此,为了保证提升系统安全可靠的运行,必须有效地降低过卷时的冲击速度。     

评定钢丝的微动摩擦磨损参数研究

以点接触式提升钢丝绳为研究对象，在实验室建立了钢丝绳中钢丝的微动磨损模型．在自制的钢丝微动磨损试验机上进行微动磨损实验，考察了接触载荷、微动时间和振幅的变化对钢丝试样磨损深度的影响，并用综合参数pv值和pvt值评定微动磨损深度的变化．结果表明，相同微动时间下磨损深度随pv值的增加而增大，相同接触载荷下磨损深度随pv值增大而减小，磨损深度和综合参数pvt值之间基本成线性关系．同时通过微动过程中摩擦系数的变化、磨损产生的磨屑以及磨痕形貌，分析微动磨损过程中磨损机制随微动实验条件的变化规律。     

类金刚石薄膜改性钛合金的扭动摩擦磨损特性

以Ti6Al4V合金、类金刚石薄膜(DLC膜)改性Ti6Al4V合金分别与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)配副,模拟颈椎间盘的轴向旋转运动,并在改装后的多自由度磨损试验机上进行扭动摩擦试验。结果表明:随着循环周次的增加,两对摩擦副均呈现出摩擦扭转力矩、摩擦耗散能、磨损量相应增大的趋势。与Ti6Al4V合金相比,DLC薄膜改性后的Ti6Al4V合金摩擦副接触界面间摩擦扭转力矩降低了51.6%、摩擦耗散能降低了48%,进入完全滑移状态的时间缩短,具有更好的耐磨性。Ti6Al4V合金的磨损机制表现为严重的磨粒磨损,经DLC薄膜改性后的钛合金的磨损形式以应力集中产生的脆性剥落为主。DLC薄膜增大了对磨副UHMWPE的磨损,UHMWPE的磨损机制是粘着磨损和磨粒磨损综合作用的结果。     

提升钢丝绳的微动损伤实验研究

微动磨损是造成钢丝绳寿命降低的主要原因之一。本文以6×19点接触式钢丝绳为研究对象，对钢丝绳中钢丝进行实验室摸型化，设计并制作了钢丝微动磨损试验机，对钢丝试件进行大量的激动磨损实验。把磨损后的试件从侧向磨损缺口拍摄成SEM照片，由照片上的磨损尺寸计算磨损深度，并以此评定钢丝试件在载荷、循环次数、错动位移变化时，磨损深度的变化趋势     

摩擦提升最佳防滑配重的摩擦学设计

提出防滑许用摩擦系数可靠性设计方法,并给出基于许用摩擦系数的最佳防滑配重量的摩擦学设计原则。设计结果使防滑配重重量在确保防滑可靠性的前提下得以最大限度减小,并能将防滑配重、钢丝绳直径和许用摩擦系数同步规划。