（机械电子工程专业论文）采煤机记忆调高试验模型控制系统研究.pdf

论文题目：采煤机记忆调高试验模型控$ j j 系统研究 专业：机械电子m 程 硕士生：王冬( 签名) 每 指导教师：郭卫( 签名 摘要 随着采煤机械化程度的不断提高和现代自动控制技术的快速发展，实现无人工作面 是现今采矿工业的研究重点，无人工作面实现的关键技术包括采煤机自动调高技术、采 煤机自主定位和自动导航技术、煤岩界面识别技术等。而采煤机记忆调高技术是采煤机 自动调高技术的关键技术之一，针对传统的采煤机人工调高操作的方法和其他自动调高 方法的缺点，本文选择了记忆调高方法，并在采煤机试验模型上就这种方法展开了研究 并进行了试验，取得了一定成果。 本文首先阐述了采煤机滚筒调高技术国内外发展趋势和研究现状：通过查阅相关国 内外资料，了解了采煤机的工作原理、采煤工艺和滚筒的调高原理，为采煤机结构简化 和模型建立打下了坚实的基础；搭建了采煤机记忆调高试验模型并重点对摇臂部分进行 了相关分析，给出了试验模型的数学描述，并对相应的控制方法进行了分析；在以上基 础上搭建了整个控制系统的硬件平台，详细分析了其中各个部分以及传感器的选型和电 气连接；编制了控制系统的软件部分，详细分析了其中各个模块的功能和原理，分析了 软件设计过程所需要解决的关键问题；通过硬件设计和软件设计，完成了整个控制系统 的设计、制作了印刷电路板并进行了整个系统的调试和试验；对全文做出总结，归纳了 研究内容和结论，分析了试验结果，并结合存在的问题，做出进一步的展望，指出采煤 机滚筒记忆调高技术在今后需要进一步深入研究。 本课题研究表明，结合嵌入式p c 1 0 4 计算机开发技术和先进控制理论的应用，采 煤机滚筒记忆调高技术渴望取得很大进步，能够在采煤工作面得以实现。 关键字：采煤机；试验模型；嵌入式p c 1 0 4 ；记忆调高控制 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho fm n e m o n i cl i f t i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc o a l s h e a r e rt e s tm o d e l s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r i ce n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gd o n g i n s t r u c t o r ：g n ow e i a b s t r a c t ( s i g n a t u 阳) 幽豳 ( s i g n a t u 代) 乞乏幽匣丝垒兰茹 w i t ht h en l i m i 培a n dc o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fm e c h a n i z a t i o na n dr a p i dd e v e l o p m e n t o fm o d e ma u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , n o w a d a y sm i n e r - l e s sw o r k f a c ei st h ef o c u so ft h e r e s e a r c h ，k e yt e c h n o l o g i e so fm i n e r - l e s sw o r k f a c ei n c l u d ea u t o m a t i cl i f t i n gt e c h n o l o g yo f c o a ls h e a r e r , s e l f - p o s i t i o n i n g ，a u t o n a v i g a t i o nt e c h n o l o g yo fc o a ls h e a r e ra n dc o a li n t e r f a c e i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y m n e m o n i cl i f t i n gt e c h n o l o g yo fc o a ls h e a r e ri so n ei m p o r t a n tp a r t o ft h ea u t o m a t i cl i f t i n gt e c h n o l o g yo fc o a ls h e a r e r f o rt h ed i s a d v a n t a g eo ft h et r a d i t i o n a l m a n u a lo p e r a t i o nm e t h o do fc o a ls h e a r e rd r u m sa n do t h e rl i f t i n gm e t h o d s ，m n e m o n i cl i f t i n g m e t h o di sc h o s e ni nt h i sp a p e r , c a r r y i n go u tap i l o ts t u d ya n de x p e r i m e n t so nt h et e s tm o d e lo f t h ec o a ls h e a r e ra b o u tt h i sm e t h o d t h i sr e s e a r c hh a sg o tac e r t a i na c h i e v e m e n t s t h ep a p e rf i r s t l ye x p o u n d sd e v e l o p m e n tt r e n da n dr e s e a r c hc o n d i t i o no ft h ec o a ls h e a r e r l i f t i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d t h r o u g ha c c e s s i n gt or e l e v a n ti n f o r m a t i o nb o t l la t h o m ea n da b r o a d ，k n o w sw o r k i n gp r i n c i p l eo fc o a ls h e a r e ra n dt h el i f t i n gp r i n c i p l eo fd r u m s o ft h ec o a ls h e a r e rt ol a yt h ef o u n d a t i o no fs t r u c t u r es i m p l i f i c a t i o na n dm o d e ls e t - u po fr e a l c o a ls h e a r e r ；s e t su pt h et e s tm o d e lo fm n e m o n i cl i f t i n gs y s t e mo fc o a ls h e a r e r , a n a l y z e st h e a l m so ft h ec o a ls h e a r e rt e s tm o d e la n dg i v e sam a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o no ft e s tm o d e la n d c o r r e s p o n d i n ga n a l y s i so fc o n t r o la l g o r i t h m ；s e t su pt h ee n t i r eh a r d w a r ep l a t f o r mo fc o n t r o l s y s t e mb a s e do na b o v ea n a l y s i sa n dg i v e sad e t a i l e da n a l y s i so ft h ev a r i o u sp a r t so ft h i s s y s t e m ，t h es e l e c t i o no fs e n s o r sa n de l e c t r i c a lc o n n e c t i o n s ；p r o g r a m st h ec o n t r o ls y s t e m s o f t w a r ep a r t ；g i v e sad e t a i l e da n a l y s i so ft h ef u n c t i o n sa n dp r i n c i p l e so fe a c hs o f t w a r e m o d u l e ；t h e na n a l y z e st h ek e yi s s u e ss o l v e dd u r i n gt h ep r o c e s so fs o f t w a r ed e s i g n ；t h r o u g h h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，c o m p l e t e st h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e md e s i g n , p r o d u c e st w o h a r d w a r ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d sa n dc a r r i e so u tt h ee n t i r es y s t e md e b u g g i n ga n dt e s t i n g ； s u m m a r i z e st h e 矗1 1 1t e x t i n d u c e st h er e s e a r c hc o n t e n ta n dt h er e s u l t ，a n dm a k e st h ef u l t h e t f o r e c a s tc o m b i n e dw i t he x i s t i n gp r o b l e m s ，t h e np o i n t so u tt h a tt h em n e m o n i cl i f t i n g t e c h n o l o g yo fc o a ls h e a r e rw i l lb ew o r t h yo f f u r t h e rt h o r o u g h l ys t u d yf r o mn o wo n t h i st h e s i si n d i c a t e st h a tt h em n e m o n i cl i f t i n gt e c h n o l o g yo fc o a ls h e a r e rc a l lm a k ea g r e a tp r o g r e s sb yb e i n gc o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dp c 10 4c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dc o n t r o lt h e o r ya n d t h i st e c h n o l o g yc a nb er e a l i z e d i nt h ef u t u r ei nt h ec o a lm i n i n gw o r k f a c e k e y w o r d s ：c o a ls h e a r e r t e s tm o d e le m b e d d e dp c 10 4m n e m o n i cl i f t i n g c o n t r o l t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要斜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文巾加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：击舀日期：另研亏? d 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题冉撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签耋耋豸i ：一 1 绪论 1 1 采煤机调高技术的发展现状 1 绪论 1 1 1 国外采煤机调高技术的发展现状 自从上世纪六十年代以来，世界各主要产煤国如英国、美国、及前苏联等国都对采 煤机滚筒调高技术做了大量的研究工作。 由于实现采煤机滚筒自动调高的关键是研制出工作可靠、有一定分辨率的煤岩分界 识别传感器，所以国外大部分国家都致力于研究煤岩分界识别传感器。 英国最先在世界上开展采煤机滚筒自动调高的研究，英国在这方面的研究经历了三 个阶段： 1 1 采用同位素探测煤层厚度，并在煤矿进行了试验。 采用天然y 射线的煤层厚度探测器，该法的主要制约因素在于其对顶底板围岩 要求有一定的y 射线辐射强度而且该法的误差较大。 基于调高力分析的煤岩界面识别和滚简自动调高系统【2 1 基于调高力响应的方法，则利用煤与岩石的力学特性的不同，进行煤岩界面的 识别。该方法无论是在国内还是国外都有较广泛的适应性，特别是对我国的地质条 件及目前所采用的采煤工艺有较好的适应性，但该方法目前的研究的现状均以模式 识别为基础，以区别截割煤与截割岩石两种截割状态为目的，而不是以截割岩石时 可确定切入顶板有多深为目的，因此不能给出煤岩界面位置的定量的信息。如果截 割煤则根本不可能给出煤岩界面的位置信息，所以给下一步的滚筒自动调高的指导 信息不够明确。 在这方面，美国的研究则采用了更为广泛的方法：l l 】 天然，射线法 目前，采用该探测器的煤层厚度测量系统已在美国的一些煤矿中试用。 g i ：夕b 温度探测法p j 这种方法的基础在于采煤机滚筒上的截齿在调高过程中的截齿与煤或顶底板 间的撞击或摩擦发热，因此，监测的温度与牵引速度和调高速度有关，而煤岩界面 辨识的目的用于滚筒调高，所以必然造成温度与调高的相互耦合，另外监测的温度 还与煤和岩的机械特性有关，必然使它无法识别夹矸等地质条件，只能适合对煤岩 的机械特性有一定要求的地质条件。 美国矿业局正在研究利用红外线传感器来监测在靠近煤岩界面调高时界面和截齿 西安科技大学硕士学位论文 温度变化并进行了实验，但是该法还在进一步的研究中，并没有形成产品。 雷达探测法 由于雷达探测法是以电磁波传递为基础的技术，电磁波穿透顶煤的厚度和波长 有关，波长愈长，穿透愈深，而波长愈长，测量分辨率就愈低。测量范围和测量精 度的这种矛盾很难彻底解决，虽然美国矿业局现今己研制出多种雷达传感器，但是 雷达系统在煤矿井下的使用范围都很有限。 振动探测法1 4 1 振动探测法的原理基于采煤机切割煤、岩石时的振动频率、振动波形等特征存 在明显差异。这种方法的硬件实现比较简单，但由于它与采煤机工作环境的地质体 力学性质、开采机械类型、截齿状态和调高煤的方法等有关，为对振动信号进行分 类和鉴别，研究开发自适应判断( a s d ) 系统。由于其适应性不强，因此至今还没有 实用的振动煤岩界面探测器。 多传感器系统【5 j 多传感器系统中的传感器可包括：摇臂振动信号、煤岩和空气中的声信号、光 信号、天然y 射线信号等，目前这种系统还在研究中。 西德在八十年代中期利用采煤机行程位置显示和微机存储记忆原理开发出了记忆 割煤行程自动调高系统。 至今为止，煤岩界面探测方法有二十多种，其中包括天然y 射线、人工射线、敏感 截齿、机械振动、无线电探测、红外线反射、超声波等探测方法，但目前能形成产品的 只有基于天然y 射线的一种方法，这二十多种研究方法中比较深入的只有基于天然7 射 线的测量法与基于调高力响应的分析法。 记忆调高系统1 6 j 近年来，以记忆程控为主的调高技术在国外的一些大功率采煤机上已成功应 用，这种方法采用的技术路线是机器人所广泛采用的“示教跟踪”的控制策略，基本 思想就是在机器人的各运动关节均配置有相应的角度传感器或直线位移传感器。首 先由人工控制采煤机以完成所需要的任务，在该过程中，通过各个位置的传感器记 录下相应的轨迹，然后机器人转入跟踪模式，并重复该轨迹，从而可代替人工完成 一些重复的劳动。采煤机的记忆切割是机器人的“示教跟踪”法在采煤机上的具体应 用，它的工作过程就是首先由采煤机司机人工控制滚筒高度完成整个工作面的调 高，同时记录下在工作面上相应点相应的摇臂的倾角，然后采煤机转入记忆切割状 态，采煤机自动跟踪刚才记录的摇臂的倾角，从而实现滚筒的自动调高，如果在调 高的过程中发现滚筒高度无法跟踪实际的顶底板煤岩界面，则人工控制滚筒高度， 同时进行轨迹记忆，然后跟踪新的轨迹。【2 】采用这种原理研制的采煤机中比较典型 的就是j o y 7l s 6 、e i c k h o fs l 5 0 0 和d b t e l 3 0 0 0 型采煤机，它们都装备有采煤机 2 1 绪论 位置传感器、同步位置传感器、调高油缸传感器，通过计算机的记忆储存及自动控 制实现采煤机滚筒的自动调高。 1 1 2 我国采煤机调高技术的发展现状 在八十年代初期，国内的一些煤炭院校就致力于采煤机滚筒调高技术的研究，在这 方面做了大量有显著意义的工作。 我国对采煤机调高技术的研究成果主要有以下几种： 基于振动测试和频谱分析的煤岩界面识别技术，八十年代中国矿业大学通过测 试调高油缸的液压振动来辨别煤岩分界，但只是在实验室做过试验，【l 】并没有应用于实 际生产中。 记忆调高技术：由于该方法比较容易实现，在八十年代初中国矿业大学就曾在 鸡西煤机厂的采煤机上进行过地面实验，但没能得到推广应用l l j 。 基于天然y 射线原理的煤岩识别技术，黑龙江矿业学院曾于八十年代后期进行 过理论研究和实验研究，由于探测器的实用性等原因，未能取得突破性进展i lj 。 基于液压系统压力的调高控制系统，西华大学的雷玉勇教授提出的基于液压系 统压力的闭环控制系统，并对该法进行了理论研究和计算机仿真。这种方法的原理在于 调高状态的不同造成调高油缸中的液压力的不同，因此，以该压力为反馈信号，以机械 液压阀为调节元件可实现调高系统地闭环控制。【7 】因此，该法只能适用于煤与顶底板岩 石的力学性能差别较大的地质条件。同时，由于摇臂的位置不同，虽然有相同的调高力， 但由于力臂不同，因此，造成的调高油缸的压力也会不同。所以，该方法的实用价值有 限，应用领域具有一定的局限性。 基于振动方法的煤岩界面识别，中国矿业大学北京研究生部廉自生博士进行了 这种方法的研究，获得了一定成果。太原理工大学对煤岩界面识别系统进行了多年的研 究，在假煤壁上开展了基于截齿应力分析的煤岩分界方法，建立了煤岩采煤机相似系 统的模型试验台，提出了采用相似模型进行煤岩界面识别研究的理论方法，也取得了一 定的研究成果悼j 。 基于多传感器数据融合的煤岩分界技术，2 0 0 3 年6 月太原理工大学任芳博士论 文提出收集采煤机多个信号，然后将这些信号融合在一起，并利用神经网络自学习以达 到识别煤岩界面的目的【9 】；但是仅仅提出了实现构想，没有进行相应的系统开发。 在记忆调高技术方面，我国还没有自己的产品投入使用，基本上是靠从国外进 口，如我国引进的j o y 7l s 6 型、e i c k h o f s l 5 0 0 和d b t e l 3 0 0 0 型采煤机都装备有采煤 机位置传感器、同步位置传感器、调高油缸传感器，通过计算机的记忆储存及自动控制 实现采煤机滚筒的自动调高。 虽然我国对采煤机自动化方面进行了大量有意义的研究，但是目前国内生产的采煤 3 西安科技大学硕士学位论文 机在结构布置、性能方面、可靠性方面、自动化程序方面等方面与国外先进水平采煤机 有着明显的差距，在自动化方面所采用的自动控制技术、传感器技术、计算机技术、设 备工况监测及故障诊断技术、远程通信和集中控制技术等方面也存在着一定的差距【l0 1 。 1 2 采煤机记忆调高提出的背景 煤炭是我国的主要能源，煤炭开采综合机械化及其工作过程的自动控制已经成为煤 炭工业增加煤产量，提高劳动效率，减少重大恶性事故以及改善劳动条件的重要手段。 采煤机及其配套的系统是煤炭开采过程的主要设备，采煤机的工作过程的控制主要包括 滚筒调高控制和牵引速度的控制。在采煤机的工作过程中，根据采煤工艺、煤层与煤岩 界面状态以及支护要求调整采煤机滚筒的高度，通过牵引运动后，旋转的滚筒即可切割 出一定位置和形状的顶、底面，即得到特定的调高轨迹。由于调高轨迹直接决定产品质 量( 含矸量) 与资源的回收率，因此采煤机合理的调高策略与先进控制技术的研究是一 个日益受到广泛关注的重要问题。 目前，国内采煤机的滚筒调高大多依靠采用人工观测并结合采煤机司机对调高噪声 的判断，纯粹靠人工手动操作采煤机进行割煤。0 1 1 人们也尝试过在采煤机上安装各种传 感器进行煤岩界面的识别，然后根据这些传感器的反馈信息直接进行滚筒高度的反馈控 制策略，试图实现采煤机滚筒自动调高，但是由于煤层地质结构的复杂性和煤岩界面识 别的技术问题，加之还要考虑综合采煤机械化对顶、底板的要求，这种基于简单反馈控 制的滚筒自动调高技术没有得到成功的应用和推广。 本课题是通过对西安煤矿机械有限责任公司的大型双滚筒式采煤机进行结构简化 并制作采煤机记忆调高原理性试验模型，并以该试验模型作为研究对象进行了记忆调高 控制系统的研究和试验。 1 3 采煤机记忆调高的研究意义 采煤机记忆调高的研究意义是针对于采煤机的滚筒调高的人工操作而言的。采煤机 的滚筒调高的人工操作即采煤机司机靠视力观察及调高的噪声来判断采煤机滚筒在截 割岩石还是截割煤，以便调节滚筒的垂直位置。然而由于工作面的开采地质条件、煤层 的起伏、厚度的变化以及出现断层等，当滚筒切入顶板或底板调高岩石时，由于采煤机 工作过程中产生大量的煤尘，机器本身噪音很大，其工作环境十分恶劣，采煤机司机很 难及时判断出采煤机的运行状况，致使采煤机在工作过程中经常会截割到顶底板岩石， 使其截齿和其他零部件损坏加快，而且截割的原煤中的矸石、灰分和硫的含量增加，降 低了采煤效率，对高瓦斯矿井而言，切割岩石产生的火花有可能引发爆炸等恶性事故； 剧烈振动也会引起顶岩大面积崩塌，危及设备和工作人员的安全。因此，采煤机的人工 调高在很大程度上不能及时调整采煤机的滚筒高度，其采煤的效率很低，而且操作危险。 4 1 绪论 采煤机滚筒记忆调高是可以人工干预的自动调高，由于在采煤机调高控制系统中， 精度达到厘米级即可，而且滚筒高度调整并不频繁，因此对于整个调高系统的设计只需 合理地选择控制元件( 不受环境影响或受环境因素影响较小) ，再加上必要的校正装置， 就能大大提高采煤机的自动化程度。因此，实现采煤机滚筒记忆调高可以提高产量、延 长机器寿命、提高设备可靠性、保障工人安全、提高煤炭质量、降低设备损耗和故障率， 减轻了操作工人的劳动强度，尤其加强了工作面的安全保障，同时提高了回采率，减少 了资源的浪费，在这些方面具有重要意义【1 2 1 。因此，实现采煤机滚筒记忆调高不仅是实 现采煤工作面生产过程自动化的重要环节，而且对采煤机械的智能化控制及煤炭工业的 可持续发展也有较大的促进作用，既有经济效益又有社会效益。随着采煤机械化程度的 不断提高和现代自动控制技术的快速发展，实现井下长壁工作面采煤自动化和无人采煤 工作面也成为可能。 由于采煤机记忆调高与人工调高相比有上述许多优点，因此，本课题将采煤机记忆 调高控制系统确定为研究对象，通过分析整个系统的功能来确定系统的结构和工作原 理，并通过搭建控制系统试验平台来实现系统所需要的功能。 。 1 4 本文的研究内容和技术路线 1 4 1 本文的研究内容和任务 本文的研究内容和任务主要包含以下几个方面： 熟悉采煤机的结构和工作原理，学习掌握记忆调高控制系统的组成和工作机制， 从而为简化真实采煤机的结构打下基础。在熟悉采煤机的结构和工作原理的基础上，通 过查阅相关文献资料和现场调研，结合采煤工艺的要求，明确采煤机记忆调高控制系统 所具有的功能，在此基础上得到记忆调高控制系统的基本结构和工作原理； 简化真实采煤机结构和功能并搭建采煤机记忆调高试验模型，进行试验平台的 调试； 掌握控制系统中的传感器的原理、选型、应用和安装及其与嵌入式p c 1 0 4 计算 机的接口，并进行硬件电路的设计和调试。这部分主要研究的是各个传感器的电气特性 以及嵌入式p c 1 0 4 计算机的电气特性，以及它们之间的接口电路、硬件抗干扰设计和 整个硬件系统的调试； 控制算法的研究、仿真和程序编写及调试( 软件部分) 。这部分主要研究曲线拟 合的算法、控制策略的应用和采煤机各个动作的相应控制。主要通过采用最d - 乘法作 为基本算法来对采集数据进行曲线拟合，进而得出相应的目标曲线，通过在最小二乘意 义下寻求最优解的方法得出控制策略来控制采煤机试验模型摇臂对目标曲线进行跟踪， 软件抗干扰设计和整个软件部分的调试； 5 西安科技大学硕士学位论文 评估并优化试验平台的性能，为控制系统的移植做准备。 1 4 2 本文的技术路线 综上所述，虽然采煤机的调高方式有很多种，但是大部分方法还是避免不了需要进 行煤层界面的识别，这种方法的主要瓶颈问题在于需要有新型、高精度的传感器，但是 目前这样的传感器无法应用，因此必须采用间接方法实现采煤机的自动调高。 根据现在实际的工作模式，我们采用了采煤机记忆调高方法：在记忆调高之前，首 先由人工操纵采煤机沿着煤层工作面空载运行一次，将调高轨迹自动记忆下来，并存入 存储器，由于在同一采煤区沿煤层走向的煤层条件可以近似认为是相同的，因此记忆轨 迹可作为控制目标进行轨迹跟踪的控制。其次，采用采煤机记忆调高的另外一个优势在 于这种方法避免了对煤岩界面识别的复杂性，即需要识别出采煤机在工作过程中截齿是 否切入顶底板岩石，或者是识别出残留的顶煤和底煤的厚度。 采煤机的滚筒记忆调高是一项多学科交叉的综合性课题，它涉及到采煤工艺学、采 煤机械技术，传感器技术、信息理论和控制理论、计算机技术和测试技术，实现采煤机 滚筒记忆调高需要研究遵循以下流程，如图1 1 所示。 图1 1 本课题研究的技术路线图 通过观察图1 1 ，可以将整个研究过程分为以下几个阶段： 第一阶段：进行现场调研并查阅相关技术文献资料； 6 1 绪论 这个阶段主要是到现场进行调研，对采煤机的工况进行实际分析和观查，并搜集各 种煤矿机械书籍和论文，学习并研究采煤机各个组成部分和工作原理以及采煤机的工作 原理和采煤工艺； 第二阶段：设计并搭建采煤机记忆调高试验模型，构建整个控制系统的整体框架并 理解各个组成部分的工作原理； 第三阶段：对控制系统所需器件进行选型并搭建控制系统的试验平台并进行调试 ( 硬件部分) ； 第四阶段：编制控制系统软件并进行调试；这一阶段主要是对嵌入式p c 1 0 4 计算 机编制相关的控制程序并进行调试，完成软件部分的控制功能( 软件部分) ； 第五阶段：对控制系统进行软硬件联合调试，找出设计中的不完善处并进行改进， 直到系统达到预定的要求； 第六阶段：分析并评估系统性能，在试验成功后进行试验系统的移植。 1 5 本章小结 本章分别介绍了国内外采煤机调高技术的发展历史和现状，论述了采煤机实现记忆 调高的意义和重要性，并结合实际项目阐明了本课题所研究的主要内容、任务和课题研 究的技术路线。 7 ! 童! 鳖苎! 罂圭：竺兰圭 2 采煤机记忆调高技术概述 2 1 采煤机的基本结构和各部分的功能3 】 幽2 i 采煤机的基本结构蚓 1电动机；2 一牵引部；3 一摇臂：4 一滚筒；5 一底托架；6 一滑靴：7 一调高油缸：8 一破碎头 采煤机的基本结构如图2l 所示，它主要由电动机、牵引部、截割部和附属装置等 组成。 电动机是粟煤机的动力部分，它通过两端输出分别驱动牵引部和滚筒。 牵引部通过其主动链轮与固定在工作面的刮板输送机两端的乖引链相啮合，使采煤 机沿着工作面移动，牵引部是采煤机的行走机构。 滚筒是采煤机落煤和装煤的工作机构，其上有截齿和旋转叶片，分别用束截煤和姨 煤，为了提高旋转滚筒的装煤效果，滚筒侧装有弧形挡煤板，它可咀根据不同的采煤方 向旋转1 8 0 。 底托架是固定和承托整台采煤机的底架，通过其卜部的四个滑靴使采煤机骑在刮板 输送机的帮槽上，其中采空区的两个滑靴套在输送机的导向管上保证采煤机可靠导向； 底托架上的调高油缸可使摇臂连同滚筒升降，以调节采煤机的滚筒高度。 破碎头用米将滚筒截割后无法装走的相对大点的煤块破碎成小煤块后，使得破碎后 煤块掉入刮板输送机。 采煤机在工作面的作用主要足完成落煤和装煤，靠滚筒r 的截齿截割煤炭，并通过 滚筒卜的旋转叫片将截落的煤装入刮板输送机。 采煤机的控制主要包括两部分：即牵引速度的控制和滚筒高度的控制。 牵引是指采煤机在刮板输送机的溜槽上沿i 。作面机往复运动，实现连续割煤。 滚筒调高足指在采煤机牵引运动时，为了适应工作面煤层厚度的变化，在煤层高度 范围内上下调整滚筒的位置。 2 采煤机记忆调高技术概述 i 宣萱i i i i 宣宣一j i - im riiii 7 ii l l 宣i 暑 调高系统主要由滚筒、摇臂、调高油缸以及调高液压控制系统组成。 2 2 采煤机采煤工艺 为了适应采高的变化及煤层顶底板的起伏，通常采用可调高双滚筒采煤机割煤。双 滚筒采煤机工作时，一次采全高，双向均可采煤，无论上行或下行，一般均采用前滚筒 在上割项煤，后滚筒在下割底煤。采煤机滚筒在割煤的同时，利用滚筒的螺旋叶片和滚 筒旋转的抛掷作用，把煤直接装入刮板输送机。采煤机采煤方式有单向割煤和双向割煤 两种，单向割煤适用于顶板稳定性差，倾角较大的综采工作面，双向割煤多用于煤层赋 存稳定，倾角较缓的综采工作面。【1 4 j 采煤机每割完一刀后，需要滚筒重新切入煤壁，称为进刀。目前常用的进刀方式是 在工作面端部或者中部进刀。 在工作面端部进斜切进刀如图2 2 所示，图中明确示意出采煤机、刮板输送机、煤 壁、采煤机姿态以及采煤机的运动方向，具体过程如下所示：图2 2 ( a ) 表示采煤机沿工 作面从右向左割煤，采煤机前滚筒一直割到下顺槽，调换两个滚筒的上下位置，采煤机 向右割煤，由后滚筒将上一刀剩下的一段底煤割净，然后由输送机弯曲逐渐斜向切入煤 壁，直到前后滚筒完全切入煤壁、采煤机机身进入输送机直线段为止，这时采煤机已经 向煤壁推进了一个截深的距离( 图2 2 ( b ) ) ；再调换两个滚筒的上下位置，将输送机弯曲 段和机头贴近煤壁，使输送机成一条直线( 图2 2 ( c ) ) 。采煤机再从右向左割煤，直到下顺 槽，再调换两个滚筒的上下位置( 图2 2 ( d ) ) ，即可沿工作面全长向右采煤，直到上顺槽。 在工作面的另一端重复上述进刀过程，开始下一刀采煤。 ( a ) 9 西安科技大学硕士学位论文 ( c ) 【d ) 图2 2 双滚筒采煤机在工作面端部斜切进刀图【1 5 l 1 一采煤机；2 一刮板输送机；3 一煤壁 2 3 采煤机记忆调高的功能和基本原理 采煤机滚筒记忆调高的功能就是要求按照顶板和底板的变化规律确定的采煤工艺， 进而依照顶底板的变化规律自动调整滚筒高度，尽量减少采煤机截割顶底板岩石，从而 保持支护要求的工作面项底板的平整性，也就是说要使采煤机的前后滚筒调高后形成的 顶底板要跟踪按照采煤工艺设定的顶底板的曲面，同时保持跟踪轨迹的平滑性。根据采 煤机调高系统所要求的功能，调高控制系统首先要能正确地识别采煤机的截割状态，然 后根据识别的结果能准确及时地调整采煤机的滚筒高度。 采煤机记忆调高的基本原理如图2 - 3 所示： 滚筒高度 0 i l ii ；i ：山1 i t i 一 l 月r 一；1 丫； 卜；一 i 题寸ia - l _ h -l - - 1 r、_ l - 髟卜旧f m p 卜-l 一 i 一 ，- 0 l 一 _ - 鲶叶i i t 一一 i _ - - 囊 r 叶： _ 妒n - 一 、- 记忆 人工 记忆 人工 图2 3 采煤机记忆调高原理图 由图2 3 中可以看出：采煤机记忆调高的基本原理是在记忆调高之前首先使采煤机 沿着工作面空载运行一次，并进行人工调高，控制器将人工调高的轨迹记录下来并存入 1 0 2 采煤机记忆调高技术概述 萱i 置暑昌i i 宣暑暑宣宣暑暑宣i i 葺e l i i _ 宣嗣i 宣宣| 到存储器，当采煤机进行后续各次割煤走刀运行时，调高控制系统将依据已经记忆轨迹 所提供的信息，在此后的截割走刀过程中进行记忆调高，在截割过程中，若顶板煤层界 面出现起伏变化时，则可人工操作干预调高，此时调高控制系统会自动更新已有的截割 轨迹，下一次走刀截割时将依据更新后的轨迹进行自动调高i l 6 。 “记忆”的特征是预知控制结果的再现控制，控制的精度和可靠性取决于采样记忆的 信息量和准确程度。【1 7 】需要记忆的相关信息有：采煤机运行状态：采煤机运行位置；滚 筒高度位置定位信息；采煤机的空阳j 姿态等等。 2 4 本章小结 本章从介绍采煤机基本结构、各个部分的功能和采煤工艺入手，阐述了采煤机记忆 调高的功能和基本原理，为后续简化真实采煤机结构和搭建采煤机记忆调高试验模型以 及程序的编写提供了依据。 西安科技大学硕士学位论文 3 采煤机记忆调高试验模型机械部分设计和分析 本章在上章基础上，通过对真实采煤机结构进行合理简化，设计并搭建了采煤机记 忆调高试验模型来模拟真实采煤机，并给出了该试验模型的数学描述，明确了整个控制 系统的控制对象，其中重点对该试验模型的摇臂部分进行了分析。 3 1 采煤机记忆调高试验模型机械部分的基本结构 为了简化真实采煤机结构和功能，采用了采煤机试验模型来模拟真实采煤机，其外 观如图31 所示，从图中可以看出，该采煤机试验模型大大简化了真实采煤机的结构， 能够从奉质上模拟真实采煤机的功能。 图31 采煤机记忆调高试验模型图 从图3i 中我们可以看到试验模型底架，采煤机试验模型、摇臂、电机以及与其配 套的调速装置。 该试验模型土要包含两个部分，包括牵引部分和调高部分。牵引部分采用单相异步 电机驱动，采用皮带轮传动方式驱动采煤机试验模型在导轨上运动，通过控制牵引部电 机正转、反转来模拟真实采煤机的左牵引和右牵引。调高部分通过使用两个单相异步电 机驱动摇臂实现调高来模拟真实采煤机的调高油缸驱动摇臂的调高方式，通过控制调高 电机的正转、反转来实现摇臂的调高。三个与电机配套使用的调速装置用来调节采煤机 摇臂的调节速度和采煤机试验模型的牵引速度。 导轨用来模拟刮板输送机，由于不考虑进刀过程，导轨不能移动且呈直线状，采煤 机试验模型在其上运动模拟真实采煤机在刮扳输送机上运动。 采煤机试验模型用来模拟真实采煤机，采煤机试验模型在所铺设的导轨上的运动模 拟真实采煤机的牵引运动，采煤机试验模型由牵引部电机牵引，采用皮带轮传动的方式 3 采煤机记忆调高试验模型机械部分设计和分析 进行牵引。 两个摇臂电机同轴安装两个角度传感器以采集两摇臂当前角度。在导轨的两端分别 装有两个限位行程开关，用来采集采煤机试验模型的限位信号。 牵引部电机采用一级齿轮减速，在输出端同轴连接旋转编码器以采集采煤机试验模 型在工作面的位置。 3 2 采煤机记忆调高试验模型的数学描述 通过对图3 1 中的采煤机记忆调高试验模型进行建模和分析，我们可以得出采煤机 记忆调高试验模型原理简图，如图3 2 所示： z z 么z 己z z z z z z z 乙己z 己z 丘， 图3 2 采煤机记忆调高试验模型原理简图 在图3 2 中，三一两摇臂中心间距，z 摇臂长度( 厶、厶分别为左、右摇臂长度， 这里左、右摇臂等长，即，l = 厶) ，h 滚筒中心高度( 确、琏分别为左、右滚筒中心高 度) ，缈摇臂相对于水平位置的角度( 仍、仍分别为左、右摇臂相对于水平位置的角 度 料仍。舟 从图3 2 中容易得出左、右滚筒中心位置的高度属、如和水平位置而、而，其表达 式分别如式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 所示： ，2 垆i n 识 ( 3 1 ) 【伤2 12 s i n 仍 而2 砭+ ，c o s 仍一l ( 3 2 ) l 而2 2 c o s 仍 在后续的程序编写上，主要关心滚筒1 和滚筒2 的中心高度啊、红和水平位置而、恐。 在控制系统运行过程中，通过使用左、右摇臂角度传感器分别采集左、右摇臂的角 度信息以及旋转编码器采集采煤机试验模型的当前位置的信息，经过嵌入式p c 1 0 4 计 算机内部对采集信号进行运算和处理，从而得到以采煤机试验模型滚筒部分的水平位置 为x 和滚筒中心高度为h 的一系列有序数据点( t ，瑰) ，进而可以采取后续的算法对这一 1 3 西安科技大学硕士学位论文 系列有序的数据点进行曲线拟合，至此就得到了采煤机试验模型滚筒中心位置的轨迹曲 线( 目标曲线) ，在后续的程序处理上就是控制采煤机试验模型的滚筒如何能对目标曲 线进行跟踪。 3 3 采煤机记忆调高试验模型摇臂部分的运动分析 采煤机记忆调高试验模型摇臂部分的运动状态主要有以下几种： 图3 3 摇臂部分的运动分析不恿图 图3 3 中厂( 彩) 为摇臂角速度、v 为牵引部电机速度，二者均为向量。 分析图3 3 ，可以得出采煤机试验模型滚筒部分在采煤过程中的位置如下式( 3 3 ) 所 示： r y 甾s i n 磐 3 ， i = ， 厂( 缈弘 、7 其中，为摇臂长度，厂( 国) 为摇臂角速度，对应摇臂电机正转、反转、停止三种工作 状态，其函数形式如式( 3 4 ) 所示： f ( o o 正转 f ( c o ) = o 停止 ( 3 4 ) 【一 反转 式( 3 3 ) 0 0 采煤机牵引速度为1 ，对应采煤机左牵引、右牵引、停机三种工作状态， 其函数形式如式( 3 5 ) 所示： fv o 右牵引 1 ，= o 停机 ( 3 5 ) 卜 左牵引 3 3 1 右摇臂的运动分析 ( 1 ) 采煤机试验模型右牵引和左牵引，右摇臂下摇时的运动分析 由于采煤机试验模型右摇臂的运动范围在9 0 0 以内，因此若不考虑水平方向上的运 动而仅考虑a 点的运动时，其速度方向为1 4 个圆弧的切线方向，如图3 4 所示： 1 4 3 采煤机记忆调高试验模型机械部分设计和分析 图3 4 停机时，右摇臂下摇时的运动分析示意图 在图3 4 基础上再辅以水平方向的运动速度，两个运动速度合成后可得出a 点的运 动速度，我们可以看出运动速度的方向符合渐开线的形式，进而确定了当采煤机试验模 型右牵引和左牵引，右摇臂下摇时a 点的运动轨迹方向和曲线形式，分别如图3 5 和图 3 6 所示g 图3 5 右牵引时，右摇臂下摇时运动分析示意图图3 6 左牵引时，右摇臂下摇时运动分析示意图 ( 2 ) 采煤机右牵引和左牵引，右摇臂上摇时的运动分析 由于采煤机试验模型右摇臂的运动范围在9 0 0 以内，因此若不考虑水平方向上的运 动而仅考虑a 点的运动时，其速度方向为1 4 个圆弧的切线方向，如图3 7 所示： 图3 7 停机时，右摇臂上摇时的运动分析示意图 在图3 7 基础上再辅以水平方向的运动速度，两个运动速度合成后可得出a 点的运 动速度，我们可以看出运动速度的方向符合渐开线的形式，进而确定了当采煤机试验模 型右牵引和左牵引，右摇臂上摇时a 点的运动轨迹方向和曲线形式，分别如图3 8 和图 3 9 所示： 1 5 西安科技大学硕士学位论文 图3 8 右牵引时，右摇臂上摇时运动分析示意图图3 9 左牵引时，右摇臂上摇时运动分析示意图 3 3 2 左摇臂的运动分析 ( 1 ) 采煤机右牵引和左牵引，左摇臂下摇时的运动分析 由于采煤机试验模型左摇臂的运动范围在9 0 0 以内，因此若不考虑水平方向上的运 动而仅考虑b 点的运动时，其速度方向为i 4 个圆弧的切线方向，如图3 1 0 所示： v b 图3 1 0 停机时，左摇臂下摇时的运动分析示意图 在图3 1 0 基础上再辅以水平方向的运动速度，两个运动速度合成后可得出b 点的 运动速度，我们可以看出运动速度的方向符合渐开线的形式，进而确定了当采煤机试验 模型右牵引和左牵引，左摇臂下摇时b 点的运动轨迹的方向和曲线的形式，分别如图 3 1 1 和图3 1 2 所示： f- 图3 1 1 右牵引时。左摇臂下摇时运动分析示意图图3 1 2 左牵引时，左摇臂下摇时运动分析示意图 ( 2 ) 采煤机右牵引和左牵引，左摇臂上摇时的运动分析 由于采煤机试验模型左摇臂的运动范围在9 0 。以内，因此若不考虑水平方向上的运 1 6 3 采煤机记忆调高试验模型机械部分设计和分析 宣置葺_em；_nmu|i 11 动而仅考虑b 点的运动时，其速度方向为1 4 个圆弧的切线方向，如图3 1 3 所示： 图3 1 3 停机时，左摇臂上摇时的运动分析示意图 在图3 1 3 基础上再辅以水平方向的运动速度，两个运动速度合成后可得出b 点的 运动速度，我们可以看出运动速度的方向符合渐开线的形式，进而确定了当采煤机试验 模型右