CN103399581A - 一种采煤机滚筒截割路径平整性实时自动调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采煤机滚筒截割路径平整性实时自动调节方法，该方法先根据采煤机机身倾角原始数据建立静态参考坐标系；然后在采煤机运行过程中，以静态参考坐标系为参照标准，建立动态运行坐标系，并根据微分控制原理对采煤机摇臂进行实时自动控制，从而实现采煤机滚筒连续自动调高，保证滚筒连续平稳运行，本发明采用微分控制系统，使采煤机截割路径保持在平缓的路径上运行，有利于其他装备的推移和行走，提高了采煤的连续性和生产效率，保持了采煤设备良好的运行模式和平稳性，降低了事故发生的风险，本方法简单易行，能够满足不同煤层条件下采煤机截割路径平整性的要求。

Description

一种采煤机滚筒截割路径平整性实时自动调节方法
技术领域
本发明涉及一种采煤机滚筒截割路径平整性实时自动调节方法，属于采煤机装备技术领域。
背景技术
目前，采煤机截割路径的平整性主要由采煤机司机人工掌握，但是由于采煤工作面生产环境恶劣，地质条件多变，且采煤机司机的观察能力有限，难以达到或保持采煤机截割路径所期望的平整性，而采煤机截割路径的不平整容易导致如下问题：刮板运输机推移阻力增大、液压支架支护不到位等，从而造成生产中断，严重时还会造成设备损坏和人员伤亡。中国专利CN 101887273 B和中国专利CN 102797462 A各自公开了采煤机滚筒截割高度的实时自动控制方法，但是这些方法都是为了间接实现煤岩界面识别的功能，却无法调节滚筒自身的平整性，目前专门针对采煤机截割路径平整性实时自动调节的文献尚未见公开。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种采煤机滚筒截割路径平整性实时自动调节方法，该方法可以实现对滚筒高度的自动调节，使滚筒不偏离所设定的工作路径，有效地提高滚筒的平整性，保障采煤机运行的安全性。
为了实现上述目的，本发明采用的一种采煤机滚筒截割路径平整性实时自动调节方法，其步骤如下：
（1）、从采煤机机载传感器所采集到的机身倾角α历史数据中，选取一值作为倾角参数，设为θ，以水平面为基准，建立倾角为θ的静态参考坐标系；
（2）、通过采煤机机载传感器获取机身倾角α变化前后的两个实时值和摇臂倾角β变化前后的两个实时值；
（3）、将上述步骤（2）中获得的机身倾角α的实时值与倾角参数θ进行对比分析，当分析结果得出机身倾角α的实时值与倾角参数θ相等时返回上一步骤，即返回第（2）步骤重新获取机身倾角α的实时值进行分析；当分析结果得出机身倾角α的实时值与倾角参数θ不相等时，进入下一步骤运行；
（4）、以静态参考坐标系为参照基准，建立动态运行坐标系，所述的动态运行坐标系倾角的初始值等于倾角参数θ，采煤机截割过程中，机身倾角α随煤层倾角变化而改变，将动态运行坐标系的变化情况分以下四种：
①、动态运行坐标系倾角参数值小于或等于静态参考坐标系倾角参数值时；
②、动态运行坐标系倾角参数值大于或等于静态参考坐标系倾角参数值时；
③、动态运行坐标系倾角参数值变化前小于静态参考坐标系倾角参数值，变化后大于静态坐标系倾角参数值时；
④、动态运行坐标系倾角参数值变化前大于静态参考坐标系倾角参数值，变化后小于静态坐标系倾角参数值时；
（5）、对上述四种情况的数据进行分析处理，再综合摇臂倾角β和滚筒高度h的历史数据，设计采煤机摇臂倾角β的微分控制方法；
（6）、根据微分控制结果，调节采煤机摇臂倾角β，使滚筒中心在静态参考坐标系中的高度保持不变，完成后指令进入到下一步骤；
（7）、指令返回至步骤（2），重新进行下一轮运算。
此外，静态坐标系的建立还可以地质测量得到的数据为机身倾角参数，建立静态参考坐标系。
本发明的有益效果是：本方法采用微分控制系统，使采煤机截割路径保持在平缓的直线上运行，有利于采煤设备的推移和行走，提高了采煤精度和生产效率，保持了采煤设备良好的运行模式和平稳性，从而降低了风险事故的发生，本方法简单易行，能够满足不同煤层条件下采煤机截割路径平整性的要求。
附图说明
图1是本发明一种采煤机滚筒截割路径平整性实时自动调节方法的流程框图；
图2是本发明实施例中采煤机机身倾角为α1，即前一时刻时的示意图；
图3是本发明实施例中采煤机机身倾角为α2，即后一时刻时的示意图；
图4是本发明的实施例中滚筒高度调节后的示意图；
图5是本发明机身倾角随采样频率变化的计算机模拟图；
图6是本发明摇臂倾角随采样频率变化的计算机模拟图；
图7是本发明滚筒高度随采样频率变化的计算机模拟图。
图中：θ、倾角参数，α、机身倾角，α1、前一时刻的机身倾角，α2、后一时刻的机身倾角，β、摇臂倾角，β1、前一时刻的摇臂倾角，β2、后一时刻的摇臂倾角，βTR2、变化后的摇臂倾角，hR1、前一时刻时前滚筒高度，hR2、后一时刻时前滚筒高度，∆hR1、由于机身变化而造成的滚筒高度差，∆hR2、滚筒中心距离地面的高度变化，hTR2、调节后的采煤机滚筒中心距地面高度，a、采煤机机身长度，b、采煤机机身高度，l、摇臂长度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种采煤机滚筒截割路径平整性实时自动调节方法，如图1～图3所示，所述的自动调节方法的步骤如下：
（1）、从采煤机机载传感器所采集到的机身倾角α历史数据中，选取一值作为倾角参数，设为θ，以水平面为基准，建立倾角为θ的静态参考坐标系，或者以地质测量得到的数据为机身倾角参数建立静态参考坐标系。
（2）、通过采煤机机载传感器获取机身倾角α变化前后的两个实时值和摇臂倾角β变化前后的两个实时值；
（3）、将上述步骤（2）中获得的机身倾角α的实时值与倾角参数θ进行对比分析，当分析结果得出机身倾角α的实时值与倾角参数θ相等时返回上一步骤，即返回第（2）步骤重新获取机身倾角α的实时值进行分析；当分析结果得出机身倾角α的实时值与倾角参数θ不相等时，进入下一步骤运行；
（4）、以静态参考坐标系为参照基准，建立动态运行坐标系，所述的动态运行坐标系倾角的初始值等于倾角参数θ，采煤机截割过程中，机身倾角α随煤层倾角变化而改变，将动态运行坐标系的变化情况分以下四种：
①、动态运行坐标系倾角参数值小于或等于静态参考坐标系倾角参数值时；
②、动态运行坐标系倾角参数值大于或等于静态参考坐标系倾角参数值时；
③、动态运行坐标系倾角参数值变化前小于静态参考坐标系倾角参数值，变化后大于静态坐标系倾角参数值时；
④、动态运行坐标系倾角参数值变化前大于静态参考坐标系倾角参数值，变化后小于静态坐标系倾角参数值时；
（5）、对上述四种情况的数据进行分析处理，再综合摇臂倾角β和滚筒高度h的历史数据，设计采煤机摇臂倾角β的微分控制方法；
（6）、根据微分控制结果，调节采煤机摇臂倾角β，使滚筒中心在静态参考坐标系中的高度保持不变，完成后指令进入到下一步骤；
（7）、指令返回至步骤（2），重新进行下一轮运算。
实施例
以采煤机后滚筒为例，以动态运行坐标系倾角参数值小于或等于静态参考坐标系倾角参数值，即|α|≤|θ|时的情况为分析对象，说明机身倾角α的变化对截割路径的影响及滚筒高度的调节过程。
采煤机截割过程中，机身倾角α随煤层倾角变化而改变，由于摇臂与机身之间存在铰接关系，当调节摇臂时滚筒的截割高度也随之发生改变。当采煤机机身倾角为α1时，如图2所示，此时采煤机的摇臂倾角为βR1，则采煤机滚筒中心到静态参考坐标系的水平面的高度hR1为：
Figure 105567DEST_PATH_IMAGE001
当采煤机机身倾角α由α1变化为α2，摇臂与机身之间的夹角保持不变，为，如图3，此时，采煤机后滚筒中心距地面的高度hR2为：
Figure 98930DEST_PATH_IMAGE002
当采煤机机身倾角α由α1变化到α2时，采煤机后滚筒中心距离静态参考坐标系的水平面的高度差∆hR1为：
从上述的计算可知，对后滚筒高度的计算都是在静态参考坐标系中进行的，保证了计算结果的一致性。
当机身倾角α发生变化后，通过调节摇臂倾角β，使滚筒中心在静态参考坐标系中的高度保持不变，即无论动态运行坐标系如何变化，都可以以静态参考坐标系为参照坐标系对处于不同动态运行坐标系中的滚筒高度进行调节，以达到截割路径平整性的目的。
当机身倾角α由α1变化为α2时，采煤机摇臂倾角β由βR1变化为βR2，调节摇臂倾角β由βR2变化为βTR2，滚筒中心高度由hR2变化为hTR2：
调节摇臂倾角β过程中，采煤机后滚筒中心距离地面的高度变化∆hR2为：
Figure 300608DEST_PATH_IMAGE005
为了获得较为平整的截割路径，应满足：∆hR1=∆hR2, 也即hR1= hTR2：
Figure 730452DEST_PATH_IMAGE006
对于固定的静态参考坐标系倾角参数θ，sinθ、cosθ是确定的值，本例中，设sinθ=k1，cosθ=k2。
根据图3和图4中采煤机所处的位置关系，有：
α1=α1， α2=α1+∆α， βR1=βR1，βTR2=βR1+∆βR
根据微分理论的连续性条件，当∆α、∆βR→0时，有：α2→α1，βTR2→βR1，当α2→α1，βTR2→βR时，有：
Figure 972077DEST_PATH_IMAGE007
因此，当机身倾角在|α|≤|θ|范围内变化时，可按照公式（1）对摇臂倾角β进行实时调节，保持采煤机后滚筒截割路径基本平整。
类似地，采用上述的分析方法，对其他不同机身倾角值α进行分析计算，并最终实现对后滚筒高度的平整性控制。
类似地，采用上述的分析方法，可以对采煤机前后两个滚筒的摇臂做上述的分析计算，并最终实现对滚筒高度的平整性控制。
下面以国内某煤矿的工作面为实验场所，以采煤机的前滚筒为例，对上述自动控制方法进行可靠性验证，首先对现场数据进行采集和分析，采煤机运行时，以1Hz的采样频率采集采煤机摇臂倾角β值和机身倾角α值，根据采煤机几何参数和传感参数计算出前滚筒高度值，在此基础上，采用本控制方法进行仿真实验。
仿真实验通过控制采煤机摇臂倾角β的变化，补偿因机身倾角α变化引起的滚筒高度变化，实现以平整性为目的的采煤机截割路径控制。根据倾角传感器采集到的机身倾角参数值，得出采样区间内的机身倾角的最小值为-4°，选择静态参考坐标系的倾角参数为-4°。对提出的方法进行仿真验证，采样范围内的仿真实验输出结果如图5所示。
对使用本控制方法前后的综采工作面采煤机截割路径进行对比分析，数据如表1：
表1 前滚筒截割路径规划效果
最高点/m 最低点/m 高度差/m 标准差/m
原综采 3.419 2.715 0.704 0.247
采用本法后综采 2.742 2.695 0.047 0.01
优化率 19.8% 0.7% 93.3% 95.6%
通过本发明对滚筒截割高度进行实时控制后，前滚筒的截割路径高度差由原来的0.704米减小为0.0473米，减小了93.3%；标准偏差由原来的0.247米减小为0.01米，减小了95.6%，使用控制方法前的原综采工作面采煤机截割顶板的平整度较差，容易出现顶板支护不到位的情况，底板截割路径起伏明显，不利于刮板运输机设备的推移和液压支架拉架等动作的实现，采用本控制方法后，有效改善了采煤机截割路径的平整性，避免了上述不利情况的发生，提高了采煤安全性。

Claims (2)

1.一种采煤机滚筒截割路径平整性实时自动调节方法，其特征在于，所述的自动调节方法步骤如下：
（1）从采煤机机载传感器所采集到的机身倾角α历史数据中，选取一值作为倾角参数，设为θ，以水平面为基准，建立倾角为θ的静态参考坐标系；
（2）通过采煤机机载传感器获取机身倾角α变化前后的两个实时值和摇臂倾角β变化前后的两个实时值；
（3）将上述步骤（2）中获得的机身倾角α的实时值与倾角参数θ进行对比分析，当分析结果得出机身倾角α的实时值与倾角参数θ相等时返回上一步骤，即返回第（2）步骤重新获取机身倾角α的实时值进行分析；当分析结果得出机身倾角α的实时值与倾角参数θ不相等时，进入下一步骤运行；
（4）以静态参考坐标系为参照基准，建立动态运行坐标系，所述的动态运行坐标系倾角的初始值等于倾角参数θ，采煤机截割过程中，机身倾角α随煤层倾角变化而改变，将动态运行坐标系的变化情况分以下四种：
①动态运行坐标系倾角参数值小于或等于静态参考坐标系倾角参数值时；
②动态运行坐标系倾角参数值大于或等于静态参考坐标系倾角参数值时；
③动态运行坐标系倾角参数值变化前小于静态参考坐标系倾角参数值，变化后大于静态坐标系倾角参数值时；
④动态运行坐标系倾角参数值变化前大于静态参考坐标系倾角参数值，变化后小于静态坐标系倾角参数值时；
（5）对上述四种情况的数据进行分析处理，再综合摇臂倾角β和滚筒高度h的历史数据，设计采煤机摇臂倾角β的微分控制方法；
（6）根据微分控制结果，调节采煤机摇臂倾角β，使滚筒中心在静态参考坐标系中的高度保持不变，完成后指令进入到下一步骤；
（7）指令返回至步骤（2），重新进行下一轮运算。
2.根据权利要求1所述的一种采煤机滚筒截割路径平整性实时自动调节方法，其特征在于，静态坐标系的建立还可以地质测量得到的数据为机身倾角参数。
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