CN101533287A - 一种采煤机恒功率控制方法和操作手柄 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁流变阀的触觉技术的采煤机功率控制方法及其配套的操作手柄装置。本方法借助于以下步骤实现；①提取采煤机组中截割电机的输出电流信号，送入控制计算机。②在控制计算机中处理并经过D/A转换成控制信号对电流控制器进行调节，③用电流控制器的输出电流调节磁流变阻装置中励磁线圈的电流。④将操作手柄和磁流变阻装置中的移动活塞设置为固定连接、同步移动，形成操作者借助操作手柄依阻力变化的过程中直接感受到采煤机组中输出功率的变化。⑤借助操作手柄的推、拉操作对采煤机组中的牵引电机输出功率的进行快速调整，稳定采煤机组的恒功率工作状态。

Description

一种采煤机恒功率控制方法和操作手柄

技术领域

本发明涉及采煤机恒功率控制方法和配套的操作手柄，尤其是指一种基于磁流变液的触觉技术的采煤机恒功率控制方法和可以借助触觉技术实现快速在线调控的操作手柄。

背景技术

随着能源工业的迅速发展，采煤机的功率由几十千瓦发展到到目前的两千多千瓦。为了实现节能和高效，采煤机组中的电动机应经长时间的保持在额定功率下运转，必须对电动机功率进行自动控制，减少电动机的过载或欠载。目前的采煤机组中是通过调整牵引速度来实现切割电极的恒额定功率的输出，采掘中由司机根据相关的参数及经验通过调节操作系统键盘的按钮设定牵引速度限定值后，借助采煤机组中的计算机或控制电路实现自动调节，或者依据一定的算法来调节满载运行。司机通过观察操作系统的显示屏上的信号来监测截割电机功率输出，并完成对牵引速度调节、防止采煤机过载。实际应用中由于煤层的复杂性、操作者的操作水平和反应速度的差异性、采煤机组所处环境烟雾、灰尘、皂杂的恶劣性影响到司机的视野，导致不能及时根据截割电机功率变化做出迅速的牵引速度调整。长期的超载加大了关键控制部件老化、导致频繁的故障设备效率低下。寻找人性化的操作方式提高操作水平才能使上述问题得到根本的解决。

发明内容

磁流变液在无外磁场作用下表现为流动良好的液体状态，然而在强磁场作用下、短时间内黏度增加两个数量级以上，而且黏度的变化是连续、可逆的，即一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体。磁流变效应连续、可逆、迅速和易于控制的特点使得借助磁流变液装置能够设计出来结构简单、噪声级低、响应迅速的触觉传感装置。

本发明的目的就是借助于以上类型的触觉传感装置设计一种基于磁流变液的触觉技术的采煤机恒功率控制方法。

与视觉反馈相比，触觉不仅能够辨别物体的大小、形状，还能够辨别硬度、质地、光滑程度及表面机理一系列信息。在理想状态下，仅仅0.001mm的位移就足够引发触觉反应。这些都是视觉所不能比拟的。随着人机系统的发展和功能的日益强大，触觉反馈控置正成为增强人机界面功能研究的一个新热点。磁流变液由于其独特的流变特性及良好的可控性、为触觉反馈系统的开发提供了一个新方向。

为了实现对采煤机组中牵引速度有效、精确的控制，实现其功率控制达到最佳效率，利用新型智能材料磁流变液的特殊性能，设计出这种基于磁流变液的触觉技术的采煤机恒功率控制方法。

该方法是在采煤机组的控制计算机和配套的管理软件的支持下实现的，其特征在于对采煤机机组中的牵引电机输出功率的调整中增加了操作手柄的快速调控，具体借助于以下步骤实现；

①通过电流互感器提取在线采煤机组中截割电机的输出电流信号，以及截割电机的转速信号A/D转换为数字信号送入控制计算机，

②在控制计算机中按照设定的参数进行信号比对和按比例调整后输出调控编码，经过D/A转换成控制信号对电流控制器的输出电流进行调节，

③用电流控制器的输出电流调节磁流变阻装置中励磁线圈的电流，使该装置中的磁流变液对移动活塞产生变动阻尼力，

④将直接调控牵引电机输出功率的操作手柄和磁流变阻装置中的移动活塞设置为固定连接、同步移动，形成操作者借助操作手柄阻力变化的直接感受到采煤机组中输出功率的变化，

⑤借助操作手柄的推拉操作对采煤机组中的牵引电机输出功率的进行快速调整，稳定采煤机组的恒功率工作状态。

以上方法能够根据采煤机截割电机的电流及转速等信号在手柄上产生相应的阻力，操作者通过对感受到的阻力的判断采取不同的移动方向，手柄产生相应的位移经过数/模转换，进一步处理成为调节变频器信号，用以改变采煤机组中牵引电机的转速。与原有的按键调整牵引速度相比，由于充分利用了操作者手部触觉，分辨力及反应速度大大提高，并且更适用于井下噪声大、能见度低等条件使用。在一定程度上解决采煤机过载问题及负载不足问题，提高了系统可靠性，并且可以在采煤机组切割负载突降时更快的输出最小功率，降低采煤机空转噪声。有效地利用了操作者手部触觉的分辨力及反应速度，有效调整采煤机输出功率。提高了采煤机的工作稳定性，节省采煤能源降低采煤成本。

本发明专利的有益效果是：此方法利用新型智能材料磁流变液的特殊性能，实现对采煤机牵引速度有效、精确的控制。

由于磁流变液控制阀的响应速度为毫秒数量级，可以提高采煤机功率控制的响应速度。从而提高提高采煤机截割部的工作效率并避免过载，提高了采煤机的工作稳定性，节省采煤能源降低采煤成本。提高综采工作面工作效率。

下面结合附图对本发明目是如何实现的进行进一步详细描述。

附图说明。

图1本发明基于磁流变液的触觉技术的采煤机组恒功率控制流程框图。

图2本发明中使用的磁流变阻装置的结构示意图。

图3磁流变阻装置中使用的磁流变阀结构示意图。

图4为定位盘剖面示意图。

图5为附图4A向示意图。

图6为导磁盘剖面示意图。

图7为附图6B向示意图。

以上附图中，1 进/出磁流变液的定位圆盘，2 导磁圆盘，5 导流孔，6 圆环形凸起，7 圆环形凹槽，8 阀体，9 线圈支架，10 励磁线圈。L 是带有位移传感器的操作手柄。

具体实施方式

参看附图，可以清楚的看出：本发明所涉及的方法是在采煤机组的控制计算机和配套的管理软件的支持下实现的，关键在于对采煤机机组中的牵引电机输出功率的调整中增加了操作手柄的快速调控，具体借助于以下步骤实现；

①通过电流互感器提取在线采煤机组中截割电机的输出电流信号，以及截割电机的转速信号A/D转换为数字信号送入控制计算机，

②在控制计算机中按照设定的参数进行信号比对和按比例调整后输出调控编码，经过D/A转换成控制信号对电流控制器的输出电流进行调节，

③用电流控制器的输出电流调节磁流变阻装置中励磁线圈的电流，使该装置中的磁流变液对移动活塞产生变动阻尼力，

④将直接调控牵引电机输出功率的操作手柄和磁流变阻装置中的移动活塞设置为固定连接、同步移动，形成操作者借助操作手柄阻力变化的直接感受到采煤机组中输出功率的变化，

⑤借助操作手柄的推拉操作对采煤机组中的牵引电机输出功率的进行快速调整，稳定采煤机组的恒功率工作状态。

以上所说的步骤⑤中的借助操作手柄的推拉操作对采煤机组中的牵引电机输出功率的进行快速调整的具体步骤包括：

①根据反映在操作手柄上阻尼力的变化，变换操作手柄的位置，借助于固定在操作手柄上的位置传感器将推进或后撤的位移信号经A/D转换器变为数字信号送入采煤机组的控制计算机，

②在控制计算机中按照设定的常数和随机存储的状态参数进行信号比对，决定提速或减速指令代码由控制计算机发出，

③决定提速或减速指令代码经D/A转换器变换为调控信号加载在变频器上，调控采煤机机组中的牵引电机的工作频率、改变牵引速度。

在步骤③中所说的磁流变阻装置是由一个磁流变阀和一个活塞缸体串连形成的液压闭合回路，磁流变阀的调控激磁线圈接在电流控制器的电流输出端，活塞和位置传感器固定在操作手柄上。

在本方法中所采用的磁流变阀的结构中包括阀体8，设置在阀体8内的、具有中心通孔的骨架上的激磁线圈10，设置在具有中心通孔的骨架两端的是导磁圆盘2和进/出磁流变液的定位圆盘1、借助于端盖定位在阀体8内，端盖上设有磁流变液进/出口，阀体8上设有激磁电流输入接线端。

结合磁变阀的局部部件结构示意图可以进一步看出：进/出磁流变液的定位圆盘1结构中表面设置有同心圆环状突起6，导磁圆盘2表面设置同心圆环状形成的梯形凹槽7，进/出磁流变液圆盘1与导磁圆盘2两个对应表面上设置梯形突起和凹槽，具有的配合间隙形成非直线的磁流变液通道，该通道借助进/出磁流变液的定位圆盘1上的导流孔5、端盖上的磁流变液进/出口与连接活塞缸的管路相通。

本发明的技术关键之是设计了一种能反映出采煤机组工作状态的变阻尼的操作手柄L，该操作手柄借助传动部件与活塞和位置传感器连接在一起、形成连动，活塞缸与磁流变阀串连构成磁流变液闭合回路，手柄带动活塞，磁流变液在活塞推动经闭合回路流经磁流变阀内部的磁隙通道形成回流。

通过固定在活塞上的操作手柄作为操作者触觉感知装置。活塞及其缸体与磁流变装置构成回路；操作手柄带动活塞，磁流变液在活塞驱动下在回路内流动，流经磁流变阀，通过其内部特定的磁隙通道。在没有磁场作用的状态下，磁流变液作牛顿流体粘性流动，活塞运动基本不受阻力作用，只受系统摩擦力。当施加磁场后，磁流变液体在几毫秒时间内牛顿流体转变为粘塑体，磁流变液体的流经磁流变阀的磁隙通道时流动阻力增加，表现为具有一定屈服应力的类似于固体物质，活塞运动中所受阻力与磁场强度相关，与采煤机组中互感器等传感器提取当前采煤机截割电机的电流及转速等信号相关。

无磁场时磁流变阀中的磁流变液体经进进/出磁流变液的定位圆盘1的导流孔经过上述非直线液流通道，由导磁圆盘2中心导流孔流出，经过激磁线圈10的中心通孔，导入另一端端导磁圆盘2中心导流孔，经过上述非直线液流通道，经由该端的磁流变液的定位圆盘1的导流孔流出磁流变阀。励磁线圈断电时，磁流变液在无外磁场作用下表现为流动良好的液体状态，磁流变阀打开导通，励磁线圈的通电时，产生强磁场，在强磁场作用下，可在短时间(毫秒级)内表现黏度增加两个数量级以上，并呈现类似固体的力学性质，其强度由剪切屈服应力来表征，而且黏度的变化是连续、可逆的。去掉磁场后，磁流变液又变成可以流动的液体。当施加一定强度的磁场时，磁流变液体流经进油圆盘边缘区域及配油圆盘边缘区域的的非直线液流通道时，黏度依据施加的磁场强度有一定的趋势变化。

Claims (6)

1、一种基于磁流变液的触觉技术的采煤机恒功率控制方法，该方法是在采煤机组的控制计算机和配套的管理软件的支持下实现的，其特征在于：对采煤机机组中的牵引电机输出功率的调整中增加了操作手柄的快速调控，具体借助于以下步骤实现；

①通过电流互感器提取在线采煤机组中截割电机的输出电流信号、以及截割电机的转速信号，经A/D转换为数字信号后送入控制计算机，

②在控制计算机中按照设定的参数进行信号比对和按比例调整后输出调控编码，经过D/A转换成控制信号对电流控制器的输出电流进行调节，

③用电流控制器的输出电流调节磁流变阻装置中励磁线圈的电流，使该装置中的磁流变液对移动活塞产生变动阻尼力，

④将直接调控牵引电机输出功率的操作手柄和磁流变阻装置中的活塞设置为固定连接、同步移动，形成操作者借助操作手柄阻力变化的直接感受到采煤机组中输出功率的变化，

⑤借助操作手柄的推拉操作对采煤机组中的牵引电机输出功率的进行快速调整，稳定采煤机组的恒功率工作状态。

2、根据权利要求1所说的采煤机恒功率控制方法，其特征在于所说的步骤⑤中的借助操作手柄的推拉操作对采煤机组中的牵引电机输出功率的进行快速调整的具体步骤包括：

①根据反映在操作手柄上阻尼力的变化，变换操作手柄的位置，借助于固定在操作手柄上的位置传感器将推进或后撤的位移信号经A/D转换器变为数字信号送入采煤机组的控制计算机，

②在控制计算机中按照设定的常数和随机存储的状态参数进行信号比对，决定提速或减速指令代码由控制计算机发出，

③决定提速或减速指令代码经D/A转换器变换为调控信号加载在变频器上，调控采煤机机组中的牵引电机的工作频率、改变牵引速度。

3、根据权利要求1所说的采煤机恒功率控制方法，其特征在于：在步骤③中所说的磁流变阻装置是由一个磁流变阀和一个活塞缸体串连形成的液压闭合回路，磁流变阀的调控激磁线圈接在电流控制器的电流输出端，活塞和位置传感器固定在操作手柄(L)上。

4、根据权利要求3所说的采煤机恒功率控制方法，其特征在于磁流变阀的结构中包括阀体(8)，设置在阀体(8)内的、具有中心通孔的骨架上的进/出磁流变液的定位圆盘(1)，设置在具有中心通孔的骨架两端的是导磁圆盘(2)和进/出磁流变液的定位圆盘(1)借助于端盖定位在阀体(8)内，端盖上设有磁流变液进/出口，阀体(8)上设有激磁电流输入接线端。

5、根据权利要求3所说的采煤机恒功率控制方法，其特征在于进/出磁流变液的定位圆盘(1)结构中表面设置有同心圆环状突起(6)，导磁圆盘(2)表面设置同心圆环状形成的梯形凹槽(7)，进/出磁流变液的定位圆盘(1)与导磁圆盘(2)两个对应表面上设置梯形突起和凹槽，具有的配合间隙形成非直线的磁流变液通道，该通道借助进/出磁流变液的定位圆盘(1)上的导流孔(5)、端盖上的磁流变液进/出口与连接活塞缸的管路相通。

6、一种变阻尼操作手柄，其特征在于该操作手柄(L)借助传动部件与活塞和位置传感器连接在一起、形成连动，活塞缸与磁流变阀串连构成磁流变液闭合回路，手柄带动活塞，磁流变液在活塞推动经闭合回路流经磁流变阀内部的磁隙通道形成回流。

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