煤矿掘进机机电设备故障诊断与维护

针对煤矿掘进机机电设备传统故障诊断方法效率较低、故障识别较为困难、潜在故障无法及时发现等问题,本文对煤矿掘进机机电设备故障诊断与维护技术进行研究。在分析了掘进机关键结构常见故障和监测方法的基础上,提出了煤矿掘进机故障监测与智能诊断系统,完成硬件系统选型和软件控制系统设计,实现了对掘进机机电设备运行状态实时监控和远程运维,转被动维护为主动维护,提高了设备运行可靠性,降低了设备维护成本,提高了机电设备故障诊断效率。经安装调试后表明:当掘进机关键部位出现异常现象时可准确识别,并且故障响应时间仅为1.28 s,故障发现率达97.8%,对潜在故障准确识别和判断,智能诊断系统极大提高了设备故障诊断效率,故障排除时间降低为97.3%。

三模式掘进机选型及模式转换技术研究——以广州市地铁7号线为例

为解决复杂多变地层条件下单一模式或双模式掘进机适应性不足的问题,依托广州地铁7号线萝岗站—水西站区间三模式掘进机施工案例,开展三模式掘进机选型及模式转换技术研究。该区间包含软土、富水砂层、硬岩等复杂多变的地质,通过对区间地质特征、掘进风险、模式适应性等方面的综合分析,结合三模式掘进机工程应用效果的反馈和进一步探究,确定三模式掘进机选型及模式转换方案。结果表明:1)长距离、高强度硬岩地层适合采用敞开式硬岩模式,沉降要求高的富水砂层适合采用泥水平衡模式,带孤石的软土地层适合采用土压平衡模式;2)集3种模式于一体的三模式掘进机能有效解决地铁盾构区间穿越多种复杂地层(软土地层、沉降控制要求高的地层以及硬岩地层)时的盾构选型和地层适应性问题,实现掘进机多模式一体、一键切换、一机多用;3)掘进模式转换流程、工艺的工程应用,形成了掘进模式快速、安全转换技术;4)硬岩掘进的双排渣方案能有效解决一般硬岩条件下的高效排渣(硬岩掘进螺旋输送机出渣模式)和硬岩富水条件下的防喷涌(硬岩掘进泥水出渣模式)问题。

惯导与视觉信息融合的掘进机精确定位方法

针对煤矿巷道复杂环境下掘进机精确定位难题,提出了一种惯导与视觉融合的掘进机精确定位方法,该方法采用惯导与“视觉+激光标靶”的定位方案。该方案将设计的四特征点大尺寸激光标靶固定于巷道顶板,相机固定于掘进机机身采集激光标靶图像,并运用圆拟合法定位光斑中心和基于四特征点的EPnP算法解算掘进机位置。为了验证“视觉+激光标靶”方法对掘进机位置检测效果,在模拟掘进工作面环境下开展了“视觉+激光标靶”位置检测试验,结果表明:在30 m内沿巷道宽度方向、掘进方向、高度方向最大误差不超过28.549 mm、78.868 mm、44.459 mm,实现了掘进机位置精确检测。针对惯导测量掘进机位姿误差随时间累积和掘进机振动对组合定位系统产生干扰导致位姿检测不准问题,提出改进Sage-Husa自适应滤波的惯导与视觉信息融合方法,该方法通过检测新息方差值修正量测误差来提高定位准确性。在模拟掘进工作面环境下开展了惯导与“视觉+激光标靶”组合定位实验,采用改进前后Sage-Husa自适应滤波算法融合惯导与视觉信息进行对比分析,结果表明:改进后Sage-Husa自适应滤波算法融合得到的定位误差更小,俯仰角、横滚角、航向角最大误差分别为0.029°、0.051°、0.0113°,在距离激光标靶30 m内巷道宽度位置误差在0.033 m范围内,巷道掘进方向位置误差在0.062 m范围内。所提出的惯导与视觉融合定位方法能够满足巷道掘进定位精度要求。

基于模糊神经网络PID的煤矿掘进机俯仰控制研究

目前煤矿掘进机俯仰控制主要采用PID控制方法,在掘进机俯仰控制时变性与液压系统非线性情况下的控制精度不高。掘进机俯仰控制通过控制液压缸行程实现,将传统PID算法与模糊控制、神经网络等相结合,可有效提高液压缸行程控制精度。提出了一种基于模糊神经网络PID的煤矿掘进机俯仰控制方法。通过分析掘进机支撑部运动学关系,得到俯仰角与支撑部液压缸的数学关系;介绍了掘进机俯仰控制液压系统工作原理,建立了液压系统及其传递函数模型;将模糊控制与神经网络相结合,形成模糊神经网络,利用模糊神经网络优化PID控制参数,再结合支撑机构数学模型和液压系统传递函数模型,建立掘进机俯仰角模糊神经网络PID控制模型,实现煤矿掘进机俯仰机构自动精确控制。该方法可使掘进机俯仰机构更加快速、准确到达预设位置,解决掘进机俯仰控制中的时变性与非线性难题。仿真结果表明:模糊神经网络PID控制算法相较于模糊PID和PID控制算法,跟踪误差分别降低了69.34%和74.49%。通过液压缸位移控制模拟煤矿掘进机在突变工况和跟随工况下的俯仰控制,结果表明:模糊神经网络PID控制算法相比模糊PID和PID控制算法,俯仰控制跟踪误差最小,对位置信号的平均响应时间分别缩短了27.22%和50.33%,动态控制性能更好。

煤矿掘进机自定位截割控制方法及试验研究

开展了掘进机自定位截割控制方法及试验研究,提出了掘进机自定位截割控制策略,使用基于单目视觉与深度学习的掘进机机体六自由度位姿检测方法,以及具有规定性能的双层模糊自适应反步控制方法实现了掘进机自定位截割,并将其用于机体任意位姿下的截割头循迹跟踪控制。在掘进机两种不同的机体位姿下进行了截割头循迹跟踪控制试验,试验结果显示最大轮廓误差分别在48 mm和52 mm(约2.14%与2.32%)以内,验证了提出的掘进机自定位截割控制方法的有效性。

基于主动激励的掘进机回转台振动抑制研究

悬臂式掘进机截割过程由于煤岩形状、硬度分布的随机性,当截割到硬岩时截割头会产生无规则的剧烈振动,瞬时高强度的冲击对掘进机关键受力部件回转台影响最大,其动态可靠性和寿命影响着截割效率和截割稳定性,为减弱截割过程回转台的振动,首先,基于截割现场回转台易失效损坏现象,建立截割过程回转台力学模型,推导回转台力学方程,研究回转台受力随截割参数变化规律;通过搭建截割试验台,测试截割过程回转台振动响应,结合有限元进行回转台振动模态分析,求解回转台前6阶固有频率及振型,分析回转台剧烈振动的原因。其次,基于工况路径分析理论,建立截割过程回转台工况传递路径分析模型,模拟回转台合成振动,分析各激励点对回转台振动贡献量及贡献程度,准确找到回转台主要激振源。最后,通过施加外部主动激励的方式,分析不同激励频率加载下回转台振动情况,探寻能够降低截割过程回转台振动的激励频段。试验结果表明:外部激振频率处于20~60 Hz,回转台振动幅值降低明显,此频段激励频率对回转台振动控制效果良好,有益于提高回转台寿命,且激振频率为40 Hz时回转台振动最小,回转台振动抑制效果最佳。研究结果有益于丰富回转台振动相关研究理论,实现在不改变机械结构基础上,降低回转台受力与结构变形,可为掘进机回转台的振动问题提供理论参考。

基于改进滑模控制的悬臂式掘进机轨迹跟踪技术

针对传统滑模控制在悬臂式掘进机轨迹跟踪中存在全局收敛速度慢、抖振显著等不足,提出了一种基于新型趋近律的改进滑模控制方法。通过在传统指数趋近律基础上引入掘进机机身的横向偏差、航向角偏差以及幂次趋近项,实现了掘进机轨迹偏差的快速收敛以及抖振的削弱;同时,采用边界层法进一步抑制抖振,解决了趋近律中符号函数乘积项易引起抖振的问题。分析了新型趋近律的存在性、可达性以及稳定性,并推导了干扰稳态误差的区间。考虑掘进机的不确定扰动,对传统滑模控制与改进滑模控制方法进行了仿真对比。结果表明,改进滑模控制的控制精度、收敛速度及抗干扰能力均优于传统滑模控制。最后,通过搭建实验平台测试了掘进机轨迹跟踪控制系统的性能,验证了改进滑模控制方法的可行性和有效性。研究结果可为煤矿井下恶劣环境中采掘装备的智能控制提供重要参考。

外部随机激励干扰下掘进机振动信号多传感采集方法

掘进机运行过程中,在外部随机激励源的作用下,造成多传感器模式下的传感敏感性波动,结合振动信号不稳定,会导致采集的振动信号大幅度失真。为保证掘进机的稳定运行,提出多传感器模式下的随机激励振动信号采集方法。将掘进机看作多自由度系统,建立设备动力学模型;结合掘进机动力学特征,利用虚拟激励法构建符合外部源的随机激励函数;在建立的随机激励下,选择传感器类型和参数并安装多个传感器,设定采样频率;根据正弦稳态校准方法需求,设计校准传感器采集系统,提高传感器敏感性;在随机激励函数约束下预测传感器输出延时,计算每次测量的同步误差和误差补偿值,通过补偿确保多传感器实现振动信号的同步动态采集。实验结果表明:在多传感模式下,这种方法降低了外部的随机迟滞干扰,在随机激励作用下采集到的掘进机多传感振动信号波形与实际波形相符。

基于STFF-ShuffleNet的掘进机截割头故障诊断

目的为了解决掘进机截割头故障振动信号信息量大且难以充分提取和现有的掘进机截割头故障诊断模型参数量多且计算量大,训练需要耗费大量时间,部署和使用对硬件设备的性能要求严苛的问题。方法提出一种小体积和运行速度快的轻量化网络模型时空特征融合(STFF)-ShuffleNet用于掘进机截割头故障诊断研究。ShuffleNet在模型进行时空特征提取时引入深度可分离卷积提高模型的运算效率,再对融合后的时空特征做通道混洗和分组卷积,既解决了通道分组的问题又提高了诊断精度。通过悬臂式掘进机截割头实验台模拟不同故障条件,将采集到的振动信号输入模型中进行测试。结果实验表明,STFF-ShuffleNet模型对掘进机截割头的诊断与其他传统模型相比参数量少,收敛速度快,运行效率更高,更容易满足掘进机截割头故障诊断高实时性要求,准确率达到99.3%。结论STFF-ShuffleNet模型对提高掘进机截割头故障诊断效率和降低硬件要求提供了一种新的解决思路。

基于PSO-SVR算法的悬臂式掘进机工作性能预测

研究目的:悬臂式掘进机作为铣挖法中不可或缺的机械设备,其工作性能常受到围岩特征和机械设备等条件的制约。为预测悬臂式掘进机工作性能,本文以瞬时切割速率ICR作为评价指标,综合考虑围岩因素和机械设备因素,通过不同算法预测ICR,优选出基于粒子群优化的支持向量机算法(PSO-SVR),并据此建立了ICR预测系统,从而快速高效地预测铣挖隧道掘进机工作性能和施工速度。研究结论:(1)利用已开挖的铣挖法隧道数据作为训练样本,通过5种算法预测ICR,其中粒子群优化的支持向量机算法预测精度最佳;(2)通过粒子群优化算法搜寻最优惩罚系数C和核函数系数g,能有效避免陷入局部最优解问题,并显著提高模型预测精度和泛化能力;(3)十折交叉验证结果表明,PSO-SVR算法具有较好的鲁棒性,且鲁棒性高于其他4种算法;(4)依托赣州蓉江隧道工程,PSO-SVR模型可准确预测悬臂式掘进机瞬时切割速率和施工速度,预测精度显著高于经验公式和其他算法,可为铣挖机械设备选型以及铣挖隧道施工速度预测提供参考。

掘进机截割部齿轮传动系统振动特性研究

掘进机截割部齿轮传动系统性能的好坏直接决定掘进机的使用寿命和传动效率。以某型掘进机截割部齿轮传动系统为研究对象,分析了掘进机截割部组成及齿轮传动系统,运用MATLAB对减速机齿轮传动系统振动特性进行研究和分析。研究结果表明:掘进机截割减速机输入一级中心齿轮和一级行星齿轮X向振动位移呈现单周期稳定波动,2个X向振动位移共振频率均在180 Hz左右;输入一级中心齿轮X、Y向振动位移小于一级行星齿轮X、Y向振动位移。该研究为掘进机截割部齿轮传动系统振动噪声的改善提供理论依据。

亭子口灌区一期工程隧洞悬臂掘进机选型与应用

目前,随着国内引调水工程发展,水利工程隧洞下穿越城镇、公路、铁路等越来越多,传统的钻爆法对地面建筑物震动影响较大,已不能满足上述情况下施工需要,随着各行业施工技术发展,已在市政、交通、采矿等行业广泛应用的悬臂掘进机也逐渐在水利水电工程中使用,以亭子口灌区工程为例,简要介绍悬臂掘进机在本工程隧洞工程施工中的选型及应用。

23 m级超大直径竖井掘进机组装技术研究

结合上海市某地下智慧车库项目23 m级超大直径竖井掘进机组装施工情况,在组装前进行始发基坑开挖、刃脚环安装、顶圈梁锁口施工,利用管片上的预埋件精确定位竖井掘进机主机,达到高效组装竖井掘进机的目的。阐述了超大直径竖井掘进机在狭小施工场地中的组装技术,并通过实际施工验证了该组装技术的正确性,为今后相关超大直径竖井掘进机组装的实施,提供了可行性参考。

掘进机全站仪与捷联惯导组合定位方法

针对基于全站仪的掘进机定位方法因井下粉尘过大等导致光路被遮挡而无法进行定位、基于捷联惯导的掘进机定位方法累计误差随时间推移逐渐增大的问题,提出一种掘进机全站仪与捷联惯导组合定位方法。首先,采用全站仪测量掘进机位置参数,采用捷联惯导测量掘进机位姿参数并进行解算;然后,将捷联惯导测量的掘进机所在位置经纬度转换为西安80坐标系下的坐标值,实现与全站仪测量坐标系的统一;最后,采用卡尔曼滤波方法将全站仪与捷联惯导测量数据进行融合,获取掘进机位姿数据。试验结果表明该方法具有较高的定位精度:x方向的定位误差最大值为0.0291 m,最小值为0.0100 m,平均值为0.01993 m;y方向的定位误差最大值为0.0295 m,最小值为0.0110 m,平均值为0.01826 m。

JSBZ132型掘进机的总体设计概述

针对铁路隧道施工的基本方法和技术要求 ,设计一种新型臂式掘进机 ,论证其总体设计方案及技术参数。

隧道掘进机清渣机械臂运动控制

清渣机械臂采用阀控液压缸系统,具有建模不确定性与强非线性特征。为提高清渣机械臂运动的准确性,提出一种轨迹追踪运动控制方法。基于清渣机械臂缩尺试验台模型,根据改进D-H法建立清渣机械臂运动学模型,基于拉格朗日法建立清渣机械臂非线性耦合动力学模型。针对动力学模型的建模不确定性,使用径向基函数神经网络逼近模型中的未知项,神经网络中的权值使用自适应方法进行在线调节。建立清渣机械臂仿真模型进行验证,结果表明,该方法可以确保清渣机械臂轨迹追踪过程具有较小的误差。

岩石隧道掘进机不良地质施工处置技术

岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)凭借其高效优质、作业安全等特点在铁路、公路、地铁、水利水电等领域广泛应用,在普通地质环境下推广顺利。复杂地质环境下致灾源多,如硬岩岩爆、软岩大变形、断层破碎带、涌水突泥等不良地质使TBM施工频繁出现围岩坍塌、支护失效、卡机淹井、设备损伤等问题。本文结合工程案例,从超前主动加固、注浆及锚固、管片支护、撑靴加固4个方面总结现有施工技术,以应对TBM穿越不良地质导致的刀盘卡机、护盾抱死、初期支护变形过大、撑靴打滑等问题,提升TBM在不良地质环境下的适应能力,为类似工程提供参考。

我国掘进机研制现状、问题和展望

近年来,我国重大隧道工程相继开工,掘进机研发、设计和制造水平不断提高。通过分析国产掘进机的典型工程案例,总结我国掘进机自主设计、制造技术的现状:土压平衡盾构、泥水平衡盾构和岩石隧道掘进机3大机型技术已经成熟,马蹄形盾构、矩形盾构等异形断面掘进机关键技术达到国际领先水平,同时竖井掘进机产品开始应用。分析当前我国掘进机研发制造中存在的关键问题:1)设计软件均是国外产品,信息安全问题日益凸显;2)掘进机主轴承、减速机等基础零部件需要进口;3)创新产品市场突破难度大。结合当前技术水平和市场现状,认为智能化和多样化是今后掘进机研制的重点和趋势,提出多功能多模式掘进机、异形断面岩石掘进机、复合破岩TBM、部分断面TBM等新机型设计理念,期望能够推动我国掘进机技术革新。

高放废物处置坑小直径盲井掘进机预选刀具破岩性能对比分析

盲井掘进机是处置坑开挖的常用设备,刀具的合理设计与布置是其高效掘进的关键。北京工业大学TBM与盾构课题组针对北山高放废物处置坑小直径盲井掘进机预选了11英寸(279 mm)双排锥齿滚刀和双排镐齿滚刀两种刀型。本研究应用两种预选刀型对北山花岗岩试样进行线性切割破岩试验,对比分析两种刀型的滚刀力、破岩比能、岩片分布、振动特征和岩下损伤特性等指标。试验结果表明:锥齿滚刀在相同贯入度下的破岩法向力和振动强度小于镐齿滚刀,锥齿滚刀破岩效率整体上更高,并且锥齿滚刀破岩产生的贯通裂纹发育也更为显著。综合比较分析认为锥齿滚刀破岩性能更优,推荐采用预选的双排锥齿滚刀进行北山处置坑小直径盲井掘进机刀盘布置。本研究还可为盲井掘进机刀盘与推进系统设计及施工运行参数优化提供参考。

地下沉积型磷矿悬臂式掘进机机械采掘试验研究

为解决某沉积型地下磷矿矿山开采遇到的成本高、效率低、安全风险大等问题,提出了机械落矿代替传统钻爆法落矿的技术思想,采用悬臂式掘进机进行机械采掘试验研究。首先根据矿山基本概况进行机械破岩可行性分析,选择合适的悬臂式掘进机装备进行落矿试验。然后对试验期间悬臂式掘进机的回采情况、设备运行指标及经济指标进行了详细测算与分析。试验结果证明,该技术适配沉积型地下磷矿的生产需求,可以有效解决开采过程中遇到的生产难题。研究成果具有重要的实用价值和意义。