煤矿井下无轨胶轮车弯道事故风险综合预警研究

针对煤矿井下无轨胶轮车弯道事故多发的问题,提出了综合考虑多因素的风险预警指标体系。基于UWB定位轨迹数据及客观因素数据,以五级计分法为预警因素量化指标,建立了煤矿井下无轨胶轮车弯道事故风险分级预警机制;构建了SSA-BP神经网络预警模型,进行了仿真学习与训练,并与BP、SVM模型进行了对比。结果表明,建立的分级预警指标机制对煤矿井下无轨胶轮车弯道安全性提升有所帮助,构建的SSA-BP神经网络模型对煤矿井下车辆弯道事故风险预警具有较高的准确性与稳定性。

提升神东煤矿机电设备管理效益的探究

文章从煤矿机电设备的配套、运行、大修、车辆辅助运行、指挥调度、新技术标准应用六个方面调研了国能神东煤炭集团公司煤矿机电设备目前使用和管理的现状,深入分析其原因并给出了提升机电设备管理效益的具体措施,这对国能神东煤炭集团公司提升机电设备管理效益具有十分重要的指导意义,对其他煤炭企业机电设备的精细、精益,安全管理亦有重要的借鉴作用。

超长柔性悬挂固体充填刮板输送机异常工况表征及自主调控方法

固体充填刮板输送机是固体充填开采技术的关键装备,其高效智能化的程度制约着固体智能充填开采技术的进步,暂难突破超大采长、大功率、高可靠性的瓶颈,运行状态受地质条件、充填工艺等主控因素影响显著,异常工况自主调控问题亟待解决。总结了固体充填刮板输送机特征;构建了固体充填刮板输送机位姿形态与运输状态表征方法;通过分析异常工况的形成机理,选取异常工况判别指标,结合位姿与运输状态表征方法,给出了其空间位姿、牵引状态等异常工况判别准则与典型异常工况的调控路径,揭示了多工况状态下固体充填刮板输送机运载调控机制,提出了实时调控充填材料运输量、直线及水平程度组合的异常工况自主调控方法。全国首个260 m工作面长固体充填工程案例表明:通过异常工况自主调控,平均最大水平偏移距每减少100 mm,刮板链牵引力可减少85 kN,输送功率损耗可减少55 kW;平均最大垂直偏移距每减小100 mm时,输送功率损耗可减少7.2 kW;单位长度货载运量每减少100 kN/m,刮板链牵引力可减少31.9 kN,输送功率损耗可减少38.2 kW。所提出的异常工况自主调控方法可显著提升固体充填刮板输送机的输送效能,可助力实现固体智能充填开采。

基于前馈补偿LQR与PID的矿井无轨胶轮车横纵向控制研究

无人驾驶技术是实现无轨胶轮车井下安全、智能、高效运输的重要方案之一,为了提高无人驾驶过程中的轨迹跟踪精度,提出了基于前馈补偿的横向线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)与纵向比例积分微分(Proportion Integration Derivative,PID)位移速度调节器相结合的控制策略,实现车辆的横纵向协调控制。通过建立考虑轮胎侧偏特性的2自由度无轨胶轮车动力学模型和跟踪误差模型,并采用井下无轨胶轮车实车参数建立其电机模型,得到车辆的驱动制动输出。利用Carsim和Matlab/Simulink搭建联合仿真环境,分别在井下双车道工况、单车道工况与颠簸路面工况下进行了轨迹跟踪仿真验证。结果表明:在3种工况下车辆轨迹跟踪过程中的最大横向误差仅为5 cm,最大纵向误差仅为10 cm,速度误差控制在1 m/s以内,航向误差范围为±0.1 rad,前轮偏转角变化平稳未出现抖动现象。为验证控制器在井下实际环境下的跟踪性能,使用实验室小车于陕西某井下巷道进行了现场试验验证,结果表明:井下实际巷道下试验结果误差仍在合理范围内,解决了车辆运行过程中的速度和路径的时变问题,反映出该控制器具有较高的精度和较好的稳定性。

矿用单轨吊气动道岔的结构设计与研究

我国煤炭现代化高速发展,生产规模也日益增大,所需设备的自动化、机械化程度也越来越高,但使用的辅助运输系统却十分落后。为了克服上述困扰,提出了一种带有气动道岔的单轨吊辅助运输设备,能够克服卡轨车运输条件的限制,使得多条巷道能够连通使用。这种设备在多弯道、多起伏的巷道中具有较高的灵活性和适应性,对于优化运输环境、提升运输效率、确保运输安全具有重大的实际价值。其结构设计包含道岔部分,其中道岔部分主要由道岔直轨、弯轨和气缸构成。首先通过SOLIDWORKS进行三维建模,再通过ANSYS WORKBENCH对轨道部分进行有限元静力学分析,可以直观的呈现出轨道受力变形情况。

基于拉格朗日功能平衡法的单轨吊失速保护器触发理论分析

通过假设分步法从机器人学的角度对单轨吊机车失速保护器触发装置进行运动学分析,并对点位进行了详细描述。采用拉格朗日功能平衡法对失速保护器触发机构中的滑动轴位移状况建立了完整的动力学数学模型,通过该模型可以描述在运动过程中的滑动轴位移与运行速度、各部件参数之间的关系。借助Adams软件构建虚拟样机模型进行动力学仿真分析,得出所需的速度-位移仿真结果图。分析结果表明,滑动轴的位移与运行速度有关,当运行速度到达所设定临界值2 m/s时,滑动轴能够伸出足够长度以满足失速保护工作要求,符合数学模型的预期计算。

更换托辊机器人履带式底盘的仿真与优化

为满足更换托辊机器人在煤矿井下复杂路面上以及狭窄长运距巷道内作业的需求,设计了带有姿态调整机构的履带式底盘,并结合煤矿井下的地形特征对底盘进行力学性能分析和关键部件优化。首先,利用多体动力学仿真软件RecurDyn建立履带行走机构的动力学模型,对6种经典工况进行仿真分析,通过对比履带张紧力和行驶转矩的仿真值与理论值来验证履带行走机构结构设计的合理性。然后,在ANSYS Workbench软件中对姿态调整机构进行静力学分析,并对其关键部件进行拓扑优化,以提高材料利用率并实现减重。最后,通过开展机器人行驶试验来测试履带式底盘的稳定性。结果表明,优化后姿态调整机构横移平台的最大应力降低了13.71 MPa,质量减小了36.92%;机器人在不同路况下均能稳定行驶且其姿态调整机构可正常工作。研究结果可为复杂工况下履带式煤矿机电设备的行驶性能优化提供参考。

李官集铁矿溜井三维激光扫描测量及稳定性分析

溜井是矿石运输的主要通道,溜井内部的精细测量是评估井筒健康的重要步骤。为精细测量李官集铁矿0 m中段8#采场溜井内壁的破损情况,通过翼目神HM100型三维激光扫描仪对其进行扫描测量,进行点云数据采集处理、模型建立、成果分析和溜井健康状况评估;进一步通过Rhino-FLAC3D耦合建模分析方法,开展溜井在自重应力及地应力作用下的稳定性分析;最后基于分析结果提出了符合实际的溜井放矿管理和修复措施。结果表明:溜井在自重应力及地应力作用下相对稳定,溜井井壁破损的主要原因为矿石放矿过程中的冲击及磨损作用,为李官集铁矿溜井的安全运行提供基础依据。

小保当一号煤矿特大型智能主运输系统设计

针对小保当煤矿主运输系统大运量、高带速、高带强的特点,进行了技术方案的分析研究并对各部带式输送机均采用了最佳配置设计。文章介绍了采用多项国内外先进技术对主运输系统的各个具体环节进行的优化设计,包括:采用智能化设计技术,实现主运输系统的远程集中控制、协同运行和无人值守;采用特大型装备设计技术,对系统关键位置及重要部件进行分析研究,确保安全;采用井下煤水分离技术,对原煤进行脱水处理,避免“水煤”隐患;采用动力学分析技术,对多种不利工况下的输送带张力特性进行模拟,优化设备布置。最终实现了国内井下总运输距离最长、装机总容量最大的煤炭主运输系统的智能化、无人化长期连续平稳运行,为国内特大型矿井的煤炭主运输系统设计起到了引领示范作用。

基于时频融合深度网络的矿用钻机轴承故障诊断

针对矿用钻机低速重载工作特性导致其轴承故障特征微弱、噪声大的问题,考虑单一模态下故障诊断的局限性,提出了一种基于时频融合深度网络的矿用钻机轴承故障诊断方法,对时域和时频域两种模态特征进行联合提取与分析。所设计的诊断网络在不同模块中区分性地嵌入不同注意力机制,实现多维度关键故障特征提取。最后通过钻机实验台数据集和凯斯西储大学轴承数据集进行验证。结果表明:所提方法能自动提取丰富的钻机轴承故障特征,比仅在时域或时频域分析具有更高的准确率和抗噪能力。

融合金字塔结构与注意力机制的煤矿井下巡检机器人PT目标检测算法

近年来,煤矿机器人已成为现代煤机装备领域的研究热点,多数煤矿的主煤流运输系统基本实现了连续化、机械化和自动化,因此对主运输巷道内的安全监控与巡检效率提出了更高的要求,而精准的目标检测是实现煤矿井下智能化安全监控的必要保障,但现有的目标检测算法应用于复杂恶劣的煤矿井下巷道环境,存在目标检测精度较低的问题。面向井下低照明、环境杂乱的特殊工况检测需求,制作了井下巷道环境内目标物数据集,完成数据集标注并展开多维度分析;提出一种基于金字塔结构与注意力机制融合的PT目标检测算法,利用注意力机制模块替换金字塔结构中的卷积模块,在控制特征计算量的同时提高对全局特征的提取能力,实现目标物局部特征与全局特征融合的提取效果,提高了图像中目标感兴趣区域特征的表达能力。最后,面向煤矿井下巡检机器人应用场景,将提出的PT算法与传统经典的Faster R-CNN、YOLOv4算法进行对比分析。结果表明:所提出的PT目标检测算法能够有效识别复杂环境下巷道内目标物,相较于主流的Faster R-CNN、YOLOv4目标检测网络,PT算法有更好的综合识别能力,识别煤矿人员的准确率分别提升了2.90%和4.30%,识别井下障碍的准确率分别提升0.20%和4.80%,识别矿井裂缝的准确率分别提升了4.40%和8.60%,识别井下设备的准确率分别提升了3.00%和8.70%。因此,PT目标检测算法能够更好地适应井下环境,目标检测算法较其他算法能够获得更高的准确率与检测速度,可为井下巷道安控系统建设提供理论依据与技术支撑。

矿用防爆柴油机四元组合式尾气后处理系统设计及性能试验

防爆柴油机是矿井辅助运输车辆使用最为广泛的动力源之一,受防爆改造以及井下恶劣环境的影响,导致其尾气污染问题严重,有悖于绿色矿山发展战略。煤矿井下自2020年12月开始实施非道路国III排放标准,但现阶段矿用防爆柴油机尾气净化多采用机内前处理技术,无法满足非道路国IV及更高标准的排放要求。针对防爆柴油机尾气污染严重及净化技术滞后的问题,设计了一种新型四元组合式尾气后处理系统,并通过仿真和台架试验开展了关键部件结构参数优化及尾气污染物净化性能研究。首先,按照煤矿井下防爆要求,超前面向非道路国IV尾气排放标准,设计了一种由氧化催化剂(DOC)、颗粒捕集器(DPF)、选择性催化还原器(SCR)和防爆温控装置(EPTC)组成的防爆柴油机四元组合式尾气后处理系统;采用STAR-CCM+仿真软件对防爆温控装置结构进行传热分析,结果表明:管壁面温度均小于150℃,可满足煤矿安全规程防爆要求。其次,以某型60 kW防爆柴油机为研究对象,基于GT-Power软件分别搭建了DOC、SCR和DPF后处理部件的仿真模型,并对其关键结构参数及净化性能开展正交试验进行优化,确定了尾气后处理系统关键部件的最优结构参数,得到如下规律:污染物的净化效率随DOC和SCR的载体直径、载体长度和通道密度的增大而提高;载体长度和载体直径对DPF捕集效率与DOC和SCR规律一致,而DPF因其特殊的壁流式载体结构,随着通道密度增加,PM颗粒物的捕集效率可始终维持在96%附近。在此基础上,建立了防爆柴油机和后处理系统的耦合模型,开展了防爆柴油机尾气排放污染物净化效率、动力性与经济性仿真试验。最后,研制了四元组合式尾气后处理系统样机并开展台架试验,将试验数据与仿真数据对比分析,结果表明:尾气后处理系统对CO、NO、HC与颗粒物的净化效率分别大于95%、90%、83%以及95%,可满足非道路国IV排放要求;加装尾气后处理系统的防爆柴油机整体输出扭矩平均下降4.83%,整体燃油消耗率平均增加1.19%,对防爆柴油机的动力性与经济性的实际影响较小。

多中段高溜井卸矿冲击气流产生规律及影响因素研究

多中段高溜井卸矿时所产生的冲击气流使溜井内粉尘进入溜井联巷,冲击气流的产生规律及风速大小决定了粉尘运移规律及粉尘浓度。以某金属矿多中段溜井为背景,结合现场实测数据,考虑颗粒碰撞作用,对高溜井卸矿时不同因素影响下冲击气流的变化规律进行数值模拟研究,分析矿石下落过程中颗粒运动位置与各中段气流方向变化的对应关系。结果表明:在矿石下落过程中,溜井内及各中段溜井联巷的风速逐渐增加,矿石下落造成溜井内产生负压,使部分中段溜井联巷风流方向发生变化;随着卸矿量的增大,卸矿口冲击风速逐渐增加,气流进入联巷后在阻力作用下,冲击风速逐渐减小;卸矿高度越高,卸矿口冲击风速越大,达到峰值的时间越长;矿石粒径与卸矿口冲击风速呈负相关,矿石粒径越小,对气体的推动和夹带量越大,冲击风速也越大。

基于人工智能的煤矿皮带输送系统设计与实现

随着人工智能技术的发展,其在煤矿行业的应用逐渐增多,尤其在提升自动化水平、增强安全监控和优化运输提高效率方面具有巨大潜力。该研究从电气技术与经济的专业角度出发,探讨了人工智能在煤矿皮带输送系统中的应用,包括硬件和软件两个方面。基于人工智能技术的煤矿皮带输送系统的设计与实现,涵盖了系统的硬件结构和软件结构,并根据系统功能验证展示了其在实际应用中的可靠性。

基于双目视觉的输送带表面损伤定量分析方法

为了对输送带表面损伤进行定量分析以有效判断其损伤程度,并根据损伤程度选择检修方法和时间,为工作人员检修提供依据,提出了一种基于双目立体视觉的输送带表面损伤定量分析方法。该方法首先对双目相机进行相机标定,对输送带表面损伤图像进行图像处理校正、立体匹配,基于视差原理根据三角测量原理获取目标点的三维空间信息,通过数学计算模型对损伤程度进行定量分析,提出了改进的Census变换和SGM(semi-global matching)算法相结合的立体匹配算法。结果表明:提出的改进算法匹配效果有所提升,和Census变换算法及梯度算法进行对比,误匹配率分别降低了5.26百分点和3.92百分点,得出的视差图精度最高;通过提出的方法对输送带表面损伤进行定量分析,在输送带损伤长度、宽度、深度三者误差中,损伤深度误差最大为8.5%,仍在可接受范围。

带式输送机托辊组振动噪声仿真分析及参数优化

带式输送机托辊组产生的振动噪声受多因素联合影响,为解决其振动噪声过大问题,文章提出一种基于有限元-边界元理论对托辊组振动噪声分析与优化的方法。首先,对托辊组进行模态分析与动力学仿真,探明托辊组的振动特性;然后,基于有限元-边界元复合声场仿真方法,作声场的谐响应分析计算托辊组的声场分布,并搭建实际测试平台验证声学仿真模型的可靠性;最后,结合输送能力与轻量化约束条件,得到托辊组结构参数与工作参数的最优解。结果表明,有限元-边界元法可有效模拟托辊组声场分布和变化规律,优化后托辊组噪声声压级较优化前减小约6.1dB,并且托辊组综合性能均有所改善,可对实际工程中的带式输送机优化设计起到有效的指导作用。

基于磁-热双向耦合的牵引电机温度场分析

为探究牵引电机温升问题,本文以某大型矿用电动车轮边牵引电机为研究对象,建立电机三维流动与传热耦合求解的有限元模型;并给出基本假设与相应的边界条件,采用磁-热双向耦合方法模拟计算电机的电磁场和温度场,在此基础上,分析该电机在低速满载工况下的温度场分布特性。采用这种分析方法可以实现对电机温度场特性的准确分析而且有助于电机冷却系统合理设计,为更大功率的电机综合物理场的准确计算提供了理论依据。

刮板输送机技术发展历程(四)——智能化成套装备

采煤工作面机器人群包括智能刮板输送机,它不仅要自适高效输送煤流而且要引导智能采煤机沿着工作面截割煤炭、牵引智能液压支架安全支护岩层顶板,因此刮板输送机智能性直接影响采煤机组智能性。认为,断链监测与保护技术、链张力实时感控技术、煤流量在线监测技术和机身自动调直技术是智能刮板输送机的关键感控要素,目前这些技术已达到成熟应用,为刮板输送机无人化运行提供了重要保障。自2010年起,我国刮板输送机智能化技术创新加速,研发成功超大功率、超长运距智能刮板输送机,以此构建了超级智采工作面。指出,未来刮板输送机永磁电机智能驱动、智能力感刮板链、全耐磨整体成型中部槽、数字孪生控制系统将成为新一代高级智能刮板输送机的发展方向,进而推进煤矿智采工作面进入高级智能化层次。

刮板输送机技术发展历程(一)——国外技术

刮板输送机是井下采煤工作面的“脊梁”装备,它经历了6次技术变革,持续推动采煤工艺变革及生产效率持续提升。刮板输送机第1次技术变革发生于1900-1940年,诞生了可拆卸刮板输送机,煤矿开启半机械化开采时代;第2次技术变革产生于1940-1950年,创制了可弯曲刮板输送机,煤矿进入机械化开采时代;第3次技术变革形成于1950-1985年,创设了可自移刮板输送机,煤矿跨入综合机械化开采时代;第4次技术变革出现在1985-2000年,已发展成为重型化刮板输送机,煤矿走向高产高效综采时代;第5次技术变革形成于2000-2010年,研发出自动化刮板输送机,煤矿迈向数字化综采时代;第6次技术变革始于2010年,创新推出智能化刮板输送机,煤矿开启少人化智采时代。英国和德国为刮板输送机初创做出巨大贡献,研制出多种早期的刮板输送机机型。苏联对刮板输送机的系列化,以及对机械化采煤机的配套起到重要的创新推动作用。在此基础上,1954年,英国把安德顿滚筒采煤机与垛式支架、可弯曲刮板输送机组合为综合机械化采煤机组,建成世界上第一个综采工作面。21世纪以来,世界煤炭开采的重心逐步转向我国,国外刮板输送机研发与制造影响力逐年衰减,我国逐渐成为刮板输送机的制造强国。

圆管带式输送机桁架结构轻量化设计

为了解决圆管带式输送机桁架结构设计常参照经验而使用钢量浪费的问题,提出基于实验设计(DoE)的优化设计方法。分析圆管带式输送机桁架承受的荷载组合情况,在Ansys workbench中按照桁架的最不利荷载组合施加荷载,找出危险杆件;对杆件截面设计尺寸进行参数相关性分析,选取敏感度较高的控制参数,通过拉丁超立方抽样和非参数回归方法建立响应面模型,采用多目标遗传算法(MOGA)进行多目标优化。结果表明:优化后的桁架结构整体质量减轻32.8%,实现了结构轻量化;同时,杆件应力比均有所增加但满足强度和刚度要求,杆件截面利用更加充分。