煤矿智能快速掘进关键技术研究现状及展望

针对煤矿巷道掘进智能化建设情况,探讨了现阶段分别以连采机、掘锚一体机、全断面掘进系统、掘锚机为核心的四大类智能快速掘进成套装备发展现状,分析了四大类智能快掘装备与地质条件适用性,提出了实现煤矿智能化掘进需要解决的关键技术的问题,探讨了以信息传输与智能分析技术、智能感知技术、精确定位导航技术,自主定型定向截割技术、掘进机远程自主截割控制技术以及多级多工序智能协同控制技术为基础的智能化掘进实现途径;基于复杂地质条件下煤矿巷道掘进亟待解决的关键问题,提出了以掘进作业功能需求、掘进工艺要求为依据的系统化分析、模块化设计、功能优化组合的设计方法;研究了以虚控实、虚实结合的多级数字孪生构架,基于掘进巷道设备、环境、地质构造多维信息再现实现掘进机远程控制;提出了单机智能化、系统协同化、井下智控与地面远程监控相协同的控制方法。开发了新型的无重复碾压柔性超前支护技术、截割部多级伸缩截割技术、智能锚固机组多钻机并行作业等技术,研制了具有掘、支、锚、运、探多工序并行作业的新型快速掘进作业联合机组,提出了掘进机器人、超前支护机器人、锚固机器人、辅助运输机器人组柔性并行作业技术;提出了基于数据驱动的多机多工序协同控制行为规划决策方法。提出构建完整的煤矿井下跨系统全时空信息数字感知体系,构建集井下现场生产状态、掘进巷道空间信息、掘进装备状态、风险信息等多参量、多尺度、全时空特性的数据感知智能化监控平台,实现虚拟系统与实际掘进系统实时通信,通过数据驱动规划分析实现智能化、少人化掘进。

带式输送机不停机托辊更换车结构设计及特性分析

为提高煤矿带式输送机在更换损坏托辊时的维护效率,减小人工更换产生的安全风险,文中设计了一种可在带式输送机不停机状态下进行托辊更换的更换车。针对不停机更换托辊的工作要求,确定更换车的更换方案,并建立三维模型。采用D-H参数法建立更换车机械手的连杆坐标系,通过MATLAB软件机器人工具箱建立机械手模型,并用蒙特卡洛法确定机械手的工作空间,结果表明,其运动范围满足槽型托辊组3个托辊的更换。采用ADAMS软件对机械手拆卸和安装托辊过程进行仿真,得到损坏托辊和备用托辊的位移曲线,结合夹取结构的运动曲线和运行轨迹,结果表明,机械手的工作过程平稳流畅。采用ANSYS软件对更换车工作中关键受力部件支撑臂和支撑托辊架进行有限元分析,结果表明:两部件强度满足工作要求,保证更换车工作的可靠性。

重型刮板输送机动力建模与仿真

研究了矿用重型刮板输送机的实际工况和受力状态,在考虑链条的非线性、输送机中部槽的弹性和间隙、链轮与链条啮合特性等因素的基础上,建立了刮板输送机非线性、时变性、动力耦合的有限元模型;构造了输送机线路的形态函数,实现了计算机自动建模;通过实例对输送机启动、自由停机、异常载荷、卡链、链条节距差和链轮驱动多边形效应等工况下的动力学问题进行了数字仿真.结果表明:控制启动方式有利于降低输送机的动张力,启动前链条静张力的分布对启动特性影响较大,链条节距误差对头尾驱动链轮的功率分配有较大的影响,卡链位置对冲击载荷影响很大,链轮的齿数越少,多边形效应越明显.

巷道掘进截割钻进先进技术研究现状及展望

为响应智能化煤矿发展需要,同时为改善综掘工作面智能化无人化发展较综采工作面滞后现状,提出了掘进装备自主定型定向截割、掘进装备自主巡航、掘进机健康管理技术及多机多工序智能协同控制技术四大截割钻进装备先进技术并给出研究方向。针对掘进装备自主定形定向截割技术,通过研究不同掘进装备的截割轨迹规划、机身振动特征对截割头轨迹误差的影响规律及不同掘进速度下掘进巷道顶板稳定性分析方法进行掘进装备截割路径及截割速度规划研究;通过研究位姿监测技术、恒功率截割技术、记忆截割技术实现掘进装备自主定形定向截割控制;通过数字采集系统构建掘进巷道数字孪生虚拟模型,采用掘进机虚拟操纵平台实现掘进机远程自动截割控制。通过掘进巷道环境感知技术,构建掘进巷道的三维模型并标明巷道的安全情况;利用激光扫描及多种算法,形成巷道三维点云模型;对激光、通信、视觉及惯性等传感器等进行技术互补性融合,利用多种融合算法,实现高精度巷道感知;采用随钻测量系统进行瓦斯监测和超前探水作业;将视觉感知技术、激光测距技术、全站仪、超宽带定位技术等融入井下巷道的设备定位系统中,实时监测巷道内的掘进机位姿。通过结合掘进机健康管理技术发展现状,梳理出掘进机健康管理技术在故障预警技术、故障诊断技术、寿命评估技术3个方面存在的不足,并针对所面临的挑战提出了跨时空域度的监测信息多源数据融合技术、掘进机与断面岩层耦合作用机理、突发事件风险识别模型、自学习健康管理系统4项拟解决的科学问题。通过多传感器信息融合技术,研究掘进系统截割单元及临时支护单元的控制方法,分析多源信息分析处理及优化策略,以自动截割系统和超前临时支架移架系统为例,阐明了多传感器信息融合的运行机制,提出多工序协同控制技术难点及实现这一目标需要解决的2个关键点。

采煤机截割部传动系统的非线性动力学建模及仿真

针对采煤机截割部齿轮传动系统在运行中产生振动、制造噪声污染等现象,综合考虑啮合刚度、啮合阻尼、综合误差等因素,建立了采煤机截割部齿轮传动系统的非线性动力学模型,运用变步长Runge-Kutta方法对系统微分方程进行了求解。通过分析相平面图和庞加莱截面研究了啮合刚度、阻尼比及激振频率对齿轮系统动态特性的影响。研究结果表明:在一定区间内,阻尼比逐渐减小时,太阳轮位移响应由单周期运动转为多周期运动,最终进入混沌运动;啮合刚度增大时,太阳轮位移响应同样从周期运动逐渐进入混沌运动;激振频率逐渐增大时,太阳轮位移响应呈现由周期响应转变为混沌响应再转变为拟周期响应的现象。

刮板输送机链传动系统接触动力学特性分析

链传动系统是综采工作面刮板输送机最重要的系统.为了研究刮板输送机在运行过程中链传动系统的接触动力学特性,利用有限单元法分别建立平动链条模型、转动链条模型和链环与链轮啮合接触的模型,基于三维建模软件建立链条和链环与链轮啮合的虚拟样机模型.利用非线性有限元软件LS-DYNA分析了启动过程中链环之间接触动力学特性和正常工作过程中链环链轮啮合接触动力学特性,得出了启动过程中链环之间加速度、应力变化规律和正常工作中链环与链轮啮合过程位移、速度、应力的变化规律,为链轮传动系统瞬态动力学和传动系统关键零部件优化设计提供关键设计参数.

故障载荷下刮板输送机动力学特性研究

考虑到刮板输送机的工作环境复杂、恶劣,链条牵引刮板群推移物料时不仅会引起链条的纵向振动,而且由于物料突然增加、异物卡死等因素容易造成卡链故障,通过有限元方法将链条传动系统离散并建立了基于Kelvin-Vogit模型链条体系动力学模型,并使用理论计算公式结合实测数据确定了刮板链条的刚度系数。通过数值仿真软件Matlab对刮板输送机在卡链故障工况下进行数值仿真,得到了设备不同位置卡链时链条速度变化与张力分布特性。最后通过实验的方法测得数据与仿真结果比对,测试数据与仿真结果基本一致。

刮板输送机张力自动控制系统的仿真研究

设计了一种刮板输送机链条张力的自动控制系统,构造了使用这种控制系统的刮板输送机的动力学模型和数学模型。设计了链条张力自动控制的PID模糊控制器,用实例分析了各种工况下张力控制系统的性能,仿真分析表明刮板输送机在正常运行中、具有软启动或可控启动的启动过程中,这种张力控制系统具有较好的适应性和稳定性。

间隙条件下刨煤机刨头接触碰撞动态特性研究

考虑了刨头与滑架之间的水平和竖直间隙,通过点到直线的距离来进行碰撞检验的方法,构造了刨头与滑架接触碰撞判别条件。采用非线性弹簧阻尼接触力模型,建立了间隙条件下的刨头三自由度碰撞振动动力学模型,并采用龙哥库塔法进行数值仿真分析,分析表明间隙条件下刨头与滑架之间产生了单点、两点、三点碰撞;刨头与滑架各接触点的最大碰撞力随着竖直间隙的增大而先增大随后降低,随着水平间隙增大而逐渐增大。采用Recur Dyn对刨头动力学模型进行了仿真,其结果与理论分析相吻合。

模糊PID的超前支护装备支撑力自动控制系统

针对综掘巷道在开采过程中对临时支护设备支撑力控制系统的性能要求,采用了理论分析与实验研究相结合及对比研究的方法,分析了超前支护装备支撑力自动控制的原理,构造了由电液伺服阀和液压缸组成的控制对象的数学模型;设计了支撑力自动控制的模糊PID控制器,进行了仿真对比研究,证明了模糊PID控制要优于常规PID控制;在超前支护装备模拟实验平台上进行了实验研究。结果表明本文基于模糊PID支撑力自动控制系统能够对超前支护装备的支撑力进行很好地控制,具有较好的响应特性和稳定性。

斜切状态下滚筒采煤机液压拉杠力学分析与寿命预测

为了研究液压拉杠在恶劣工况下的力学性能,首先对滚筒采煤机整机进行载荷分析,计算在斜切状态下滚筒和滑靴处的载荷情况,然后利用计算结果对液压拉杠进行力学分析,研究在不同煤层倾角和俯仰角下各液压拉杠的拉力变化情况.利用Workbench分析了受载严重液压拉杠的有限元应力分布,并基于疲劳累积损伤理论,对液压拉杠进行了疲劳寿命预测.研究结果准确地反映了液压拉杠在实际工作时的力学性能,为采煤机的设计计算及实际生产研发提供了理论依据,也对同类元件的进一步研究有一定的参考价值.

刮板输送机链轮链条啮合特性分析

链传动系统是刮板输送机的关键部件,链轮链环是链传动系统的关键部件,驱动链轮与链环的啮合力学行为与驱动链轮的磨损相互影响。为了研究链轮与链环啮合过程中链轮与链轮接触力的规律,首先从链环与链轮啮合过程进行理论分析,并对链轮链环啮合过程接触力的变化进行了分析,然后建立基于MSC.Adams的刮板输送机链轮链环虚拟样机模型,分析正常启动至长期输送功率工况下链轮与链环接触的动力学特性,分析得出环链与链轮啮合过程中接触合力、接触切向力和接触法向力的变化规律及接触力的最大值和对应的位置,最后基于LS-DYNA软件对链轮链环啮合过程进行了接触应力进分析,得出链轮链环啮合过程中接触应力最大值和对应的位置,为链轮链环啮合接触研究提供了参考。

刮板输送机首尾电动机功率平衡控制研究

针对刮板输送机运行过程中首尾双机功率不平衡问题,采用变频调速方法进行电动机的转矩控制,考虑影响刮板输送机电动机功率平衡的因素,依据链条最小张力法确定负载转矩的比值,进而根据负载转矩调节电动机转速,实现电动机的功率平衡。利用AMEsim建立仿真模型,设定合理的仿真参数,对控制系统进行仿真,分析在电动机负载波动条件下控制系统的控制效果,验证控制系统的合理性,并实现功率平衡控制。

基于EDEM的采煤机滚筒工作性能的仿真研究

为研究不同工况参数下采煤机滚筒的落煤特性,以MG500/1180-WD型号采煤机为研究对象,采用EDEM离散元仿真软件建立三维仿真模型,综合考虑煤岩块度、顶板压力对采煤机截割性能的影响,研究采煤机截割煤岩的动态过程,利用单因素试验法分析截割过程中煤岩颗粒的运动轨迹,研究不同截深、转速对采煤机装煤率、滚筒三向载荷、截割比能耗的影响以及滚筒包络范围内颗粒平均速度的变化曲线。结果表明:采煤机装煤率随转速增大先增后减的趋势,随截深增大而增大;滚筒三向载荷随转速增大而减小,随截深增大而增大;截割比能耗随转速、截深增大而增大。综合考虑选择低转速、大截深的滚筒可以在一定程度上提高采煤机装煤率;同时为提高采煤机的截割效率,减小耗损可以在保障装煤率的前提下,适当减小截深。研究结果为采煤机高效截割提供了改进参考。

采煤机摇臂齿轮固热耦合分析与齿廓修形

基于赫兹接触理论建立齿轮啮合力学模型,依据渐开线形成原理推导出滚动距离和滚动角变化规律,以牛顿冷却定律和傅里叶定律为理论基础,结合采煤机摇臂工作特性,对齿轮系统对流换热和摩擦热流量进行计算,在对流换热系数确定中综合考虑齿轮与润滑油,润滑油与箱体内壁,箱体外壁与外界空气的热传递特性,以Blok理论为基础,本体温度为初始温度,分析了齿轮表面闪温和接触温度随滚动距离及滚动角变化规律。采用Romax Design建立了采煤机摇臂齿轮传动系统模型,对惰轮轴齿轮副进行固热耦合分析,基于Romax微观几何修形理论对渐开线齿廓进行修形,分析了齿廓修形对温度场影响。结果表明:齿廓修形消除了赫兹接触应力瞬增现象,最大接触应力减少72 MPa,修形后高温区由齿顶和齿根向齿廓中部移动,改善了轮齿温度分布,最高温度降低31.4℃。为研究采煤机摇臂齿轮传动系统修形及优化提供了理论基础。

掘进机器人的仿形记忆截割建模与虚拟仿真

针对掘进机器人掘进过程中,因操作不当引起的尖峰负荷,及切割机构的非平稳振动,出现欠挖和超挖,机器损耗加剧问题,以悬臂掘进机巷道自动成形为研究对象,建立了掘进机仿形记忆截割的动态数学模型,推导出截割头运动到半圆拱形巷道边界时,悬臂偏移最大角度和油缸伸长量的通用公式,提出了使用数字液压缸来实现掘进机按照所给巷道运动时各个油缸伸长量的自动掘进控制方法,并利用Pro/E和Adams对EBZ-160型掘进机进行运动仿真和分析,验证了该模型的可行性和优越性,获得较好的仿真结果,具有广泛的通用性。

基于Minitab确定最佳参数的实验设计

介绍了实验设计的工作原理类型及选择流程和Minitab软件应用范围,利用实验设计来确定工程问题具体参数的选择,并通过Minitab软件来实现具体过程。从而快速解决工程中选择最佳参数问题,提高了选择最佳参数的效率,降低了成本。

基于Pro/Engineer的刮板输送机三维动态仿真与优化设计

论述了利用Pro/Engineer对刮板输送机进行三维动态仿真的具体过程 ,给出了对刮板输送机进行有限元分析、接触分析、结构分析、疲劳分析的方法 ,最后探讨利用仿真结果对刮板输送机进行了最优设计的方法。

基于改进遗传算法的掘进机截割机构的多目标优化设计

掘进机截割机构的综合性能是由截割粉尘、截齿消耗量、截割比能耗、载荷波动及生产率决定的,基于改进的遗传算法,将截割机构的结构参数和运动参数作为设计变量,对截割机构的综合性能进行多目标优化设计。优化结果表明,掘进机截割粉尘、截齿消耗量、截割比能耗和载荷波动都相应有所下降,且生产率有着明显提高,有效地提升了掘进机的整机性能,符合了当今及未来掘进机的发展趋势。

磁致伸缩液位传感器温度补偿方法研究

以高精度磁致伸缩液位传感器为研究对象,通过该种传感器的工作原理,分析了滑油温度的变化对传感器测量精度的影响,并提出了一种通过基于最小二乘法的多次拟合方法对其进行温度补偿的方法。通过大量试验对该种温度补偿方法进行研究,确定了四次拟合曲线为研究的磁致伸缩液位传感器的最佳拟合曲线。在使用补偿方法对其精度进行修正后,其测量精度有明显提高,基本可以消除温度对其测量精度的影响,证明了温度补偿方法的可行性。