基于PSO−ELM的综采工作面液压支架姿态监测方法

针对基于惯性测量单元的液压支架姿态解算方法会产生累计误差、校正结果不准确的问题,提出一种基于粒子群优化(PSO)−极限学习机(ELM)的综采工作面液压支架姿态监测方法。以液压支架顶梁俯仰角为监测对象,采用倾角传感器和陀螺仪采集液压支架顶梁支护姿态实时信息,对采集到的数据进行预处理,将处理后的数据输入PSO−ELM误差补偿模型中,得到解算误差预测值;同时通过卡尔曼滤波融合进行液压支架姿态解算,得到解算值;再用误差预测值对解算值进行误差补偿,从而求得更加准确的顶梁支护姿态数据。该方法只考虑加速度和角速度数据与解算误差的关系,不依赖具体的物理模型,可有效降低姿态解算累计误差。实验结果表明:液压支架顶梁俯仰角平均绝对误差由补偿前的1.4208°减少到0.0580°,且误差曲线具有良好的收敛性,验证了所提方法可持续稳定地监测液压支架的支护姿态。

基于PSO-VMD和EWT的异步电机滑动轴承故障诊断

针对大型电机滑动轴承故障诊断困难的问题,提出基于频域积分、变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)和经验小波分解(Empirical Wavelet Transform,EWT)相结合的滑动轴承故障诊断方法。以实际故障电机轴承加速度信号为例,首先通过频域积分得到位移信号,分析位移信号的时域和频域特征可初步诊断出电机可能存在碰摩故障和不对中故障,但轴心轨迹图混乱,无法给出肯定结论;然后将经粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)优化的变分模态分解和小波阈值去噪相结合对原始位移信号进行去噪,通过经验小波变换得到位移信号的主要频率成分并进行重构,重新绘制轴心轨迹,分析表明经提纯得到的轴心轨迹清晰、特征明显,可以由此判断出电机存在碰摩-轴承不对中耦合故障。最后将该方法与聚类经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)等方法对比可以得出,采用该方法可以得到更清晰的轴心轨迹图,有助于实现电机滑动轴承的故障诊断。

基于粉尘图的静电放电脉冲作用下PMMA沿面流注发展机理研究

气—固界面的静电放电现象是绝缘表面电荷积聚的诱因以及沿面闪络故障的先导,也严重威胁着绝缘结构的可靠性。为进一步揭示静电放电机理及其影响因素,文中使用粉尘图法对聚甲基丙烯酸甲酯绝缘表面积聚电荷进行表征,并改变电压幅值以及电极结构模拟不同的运行环境,探究绝缘表面电荷分布和流注发展过程。实验结果表明:受反向放电的影响,正、负极性下的电荷斑图形貌以及外径均存在明显的区别,使绝缘沿面流注发展过程存在极性效应;电压以及电极结构的不同导致了电场分布的变化,最终也会影响流注发展过程以及电荷积聚过程。粉尘图也为分析绝缘材料沿面电荷分布和流注发展过程提供了更加直观的图形化数据。

基于临界折射纵波法的盆式绝缘子法兰螺栓松动检测

盆式绝缘子是GIS的关键绝缘器件,与两侧气室法兰通过螺栓进行紧固连接,当螺栓松动时会导致盆式绝缘子应力分布不均,从而影响GIS运行的安全性和稳定性。文中提出了一种基于超声临界折射纵波(L_(CR))的盆式绝缘子法兰螺栓松动检测方法,根据L_(CR)波在盆式绝缘子法兰表面的传播声时差来反映螺栓松动情况。结果表明,当相邻螺栓松动时,L_(CR)波在松动螺栓之间的法兰表面声时差变化最大,且变化量大于24 ns;当不相邻螺栓松动时,L_(CR)波在松动螺栓正对的法兰表面声时差变化最大,且声时差变化量大于10 ns,并且螺栓松动程度越大,超声传播声时差变化量越大。该检测方法可实现对盆式绝缘子法兰螺栓松动的检测,判断螺栓松动数量及位置,具有一定的工程实用价值。

基于超声波的GIS盆式绝缘子螺栓松动程度监测方法

GIS中的重要组成部分盆式绝缘子主要通过法兰螺栓进行固定,但螺栓松动会导致盆式绝缘子受力不均甚至气体泄漏等问题,严重影响GIS运行的可靠性和安全性。文中提出了一种GIS盆式绝缘子法兰螺栓松动程度的超声波监测方法,利用压电传感器进行超声信号的激励与接收,并将压电传感器安装在待测螺栓所连接的法兰两侧,根据超声响应信号的能量衰减率来判断螺栓松动程度。通过实验研究了不同工况下超声响应信号能量及其衰减率的变化规律。结果表明,随着螺栓松动程度的增加,响应信号幅值逐渐下降,信号能量衰减率逐渐增大,单个螺栓松动且松动等级为3时信号能量衰减率可达40.8%;同时发现距离松动螺栓最近的压电传感器接收信号能量衰减率最大。该方法可实现GIS盆式绝缘子法兰螺栓松动程度监测,具有一定的工程应用价值。

绝缘特性对正极性脉冲下表面静电放电的影响

绝缘材料表面的静电放电现象会对电力设备以及通讯系统运行造成严重的影响,研究介质表面的静电放电特性及其影响因素有助于理解绝缘材料与表面静电放电的关系,对于绝缘材料的优化设计也具有重要的参考价值。为此使用静电放电枪在绝缘材料表面触发静电放电,利用粉尘图法复现了绝缘材料表面的电荷分布,通过二值化处理方法定量表征流注的发展程度,研究了绝缘材料的相对介电常数、表面电阻率和厚度等因素对表面静电放电的影响。结果表明:正极性静电放电下,绝缘材料表面的放电斑图形貌呈现梅花状;材料类型会对流注的发展产生不同的影响;绝缘材料表面电阻率减小会加快表面电荷的消散;绝缘材料越厚,沿面流注通道越长。因此,绝缘材料性能的变化导致介电常数、电荷注入方式、电荷附着效应等的变化,从而影响表面电荷的积聚形式和放电方式,最终使绝缘材料表面静电放电过程发生变化。

智能工作面液压支架电液控制系统端头控制器设计

随着无人值守智能化综采工作面建设的不断推进,对液压支架电液控制系统的自动化控制功能提出了更高的技术要求。基于目前国内开发的电液控制技术在满足智能化生产技术要求方面,存在通信速率低、响应不及时和可靠性差等问题,开发了一种基于32位处理器的液压支架电液控制系统端头控制器,设计了基于工业以太网和CAN总线的端头控制器通信架构。根据无人值守智能化综采工作面具有智能感知、智能决策和自动控制的技术要求,在端头控制器中设计了参数巡检、参数修改、在线升级和跟机自动控制功能。为了应对智能化综采工作面对液压支架电液控制系统数据标准化、规范化的要求,端头控制器可以对液压支架电液控制系统产生的数据按照基于位号的数据编码标准进行编码。通过综采工作面“三机”实验平台进行实验,结果表明:端头控制器从发出巡检指令到接收到实验平台27台支架控制器的数据,整个过程用时1.8 s,比使用RS485通信实现参数巡检快1.5 s;端头控制器发送的升级程序大小为38 KiB,传输时间为1.2 s。经过测试,综采工作面所有支架控制器从接收升级命令到一起升级成功用时为4~6 s,达到了预期目标;端头控制器可以根据采煤机位置控制相应液压支架做出正确动作,且能够满足实时性要求。

液压支架电液控制系统总线通信故障检测与诊断方法

通信系统是综采工作面液压支架电液控制系统信息传递的通道与桥梁,目前多采用CAN总线作为通信总线,易受井下复杂电磁环境的干扰,导致支架控制器内部通信硬件出现故障,造成控制器“失联”现象,且CAN总线通信系统采用多主通信模式,单台控制器“失联”将导致整个电液控制系统无法正常工作,造成安全隐患。设计了CAN通信保护电路,可使通信系统在较大负载情况下稳定运行,在复杂环境中具有较强的抗干扰性。基于CAN总线通信协议,结合令牌环网思想,提出了CAN总线通信故障检测与诊断方法,通过合理设计数据的帧结构与故障检测方式,弥补了CAN总线通信模式下节点丢失时难以定位的缺陷,并将增加数据长度对传输负载的影响降到最低,确保良好的通信性能。以2台端头控制器配合6台液压支架控制器组成环网,通过上位机不定时下发命令模拟井下实际操作时总线真实的负载情况,对液压支架电液控制系统总线通信故障检测与诊断方法进行实验验证,结果表明:该方法对系统负载率的影响较低,不会影响系统的正常运行;当出现故障节点时,可在300 ms内检测出故障控制器并向全工作面报警,故障排除率达100%。

煤矿井下定向钻孔轨迹跟踪算法研究

针对近水平定向钻孔实钻轨迹跟踪设计轨迹,较为依赖工人操控经验的问题,通过研究单弯螺杆钻具的钻进过程,搭建类似圆锥底面边缘的钻孔轨迹预测模型,分析钻杆受到重力影响,引入挠度计算,提出一种钻孔轨迹预测算法。用预测轨迹代替实钻轨迹,以设计坐标与预测坐标距离为目标函数,通过对目标函数求导推得最佳工具面角的计算公式。通过MATLAB软件仿真验证该算法满足实际施工要求,具有应用价值,并使用LabVIEW软件依据上述算法搭建上位机系统,指导实际钻进过程中工具面角的调整。

锚杆钻车钻臂定位控制方法

目前常用代数法和几何法实现锚杆钻车钻臂定位控制,存在效率低、有无解或多解情况、通用性差等问题。采用粒子群优化(PSO)算法进行机械臂定位控制具有编程简单、搜索性能强、容错性好等优势,但易陷入局部最优解。目前基于改进PSO算法的机械臂定位控制整体寻优效率较低,寻优时间过长。针对上述问题,在精英反向粒子群优化(EOPSO)算法基础上,引入混沌初始化、交叉操作、变异操作和极值扰动,设计了混沌交叉精英变异反向粒子群优化(CEMOPSO)算法。采用标准测试函数对PSO算法、EOPSO算法、交叉精英反向粒子群优化(CEOPSO)算法、CEMOPSO算法进行测试,结果表明CEMOPSO算法的稳定性、精度、收敛速度最优。建立了锚杆钻车钻臂运动模型,采用CEMOPSO算法进行钻臂定位控制,并在Matlab软件中对控制性能进行仿真研究,结果表明:在相同的迭代次数和误差精度约束条件下,采用CEMOPSO算法时钻臂位置误差和姿态误差从迭代初期即具有极快的收敛速度,且位置误差和姿态误差均小于其他3种算法,误差曲线较平稳,最大位置误差为0.005 m,最大姿态误差为0.005 rad;设定位置误差为1 mm、姿态误差为0.01 rad时,CEMOPSO算法的平均迭代次数为343,位置误差为0.1 mm、姿态误差为0.001 rad时平均迭代次数为473,在相同的定位精度条件下,CEMOPSO算法的收敛速度和稳定性优于其他3种算法,满足工程应用要求,且求解精度越高,其优越性越突出。

基于LabVIEW的定向钻机液压系统状态监测系统的开发

以定向钻机液压系统为研究对象,制定了监测系统的整体软硬件设计方案,完成了系统硬件的选型;以LabVIEW为软件平台,开发了具有采集分站实时轮询、数据校验与解析、数据库更新与查询、状态参量实时处理及显示等功能的系统软件,实现了钻机液压系统运行状态的实时监测及预警。现场实测结果表明,该系统的采集速率、监测精度和状态判断准确性等均满足实际要求,各项功能可靠且稳定,为钻机生产企业的智能化升级换代奠定了基础。

模态时频图与ResNet50融合的真空接触器故障诊断方法

针对时频方法用于真空接触器故障诊断存在特征遗漏的局限性,提出一种利用模态时频图描述振动信号特征,并融合ResNet50的故障辨识方法。首先设置故障模拟方案,并采用下采样处理方法,丰富样本数据库。其次采用灰狼优化算法,搜寻变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)算法的最佳参数,将复杂振动信号分解成最佳中心频率、有限带宽的固有模态分量。最后,提出一种模态时频图提取特征方法,利用小波变换将模态分量生成模态时频图,充分提取特征,并融合ResNet50辨识故障类型。以ZKTJ–400/1140型真空接触器作为实验对象,故障识别率达到99.38%。通过与其他时频图故障诊断方法对比,所提方法准确率明显提升,为精确感知一次设备状态提供了参考。

基于超声波的GIS盆式绝缘子法兰螺栓松动监测方法

盆式绝缘子是GIS中的重要组成部分,盆式绝缘子主要通过法兰螺栓进行固定,但螺栓松动会导致盆式绝缘子受力不均甚至气体泄漏等问题,严重影响GIS运行可靠性。文中提出了一种GIS盆式绝缘子法兰螺栓松动的超声波监测方法,通过控制压电片进行超声信号的激励与接收,根据压电片接收信号的均方根偏差来反映螺栓松动状态,研究了不同工况下超声接收信号幅值及其均方根偏差的变化规律,并进行了有限元分析及实验验证。结果表明,随着松动螺栓数量的增加,压电片接收信号的幅值逐渐下降,信号均方根偏差逐渐增加;同时距离松动螺栓最近的压电片信号均方根偏差值最大。文中提出的方法可判断GIS盆式绝缘子法兰螺栓松动的数量及位置,实现法兰螺栓松动监测。

液压支架电液控制系统通信调度策略研究

随着液压支架电液控制系统智能化进程不断推进,基于CAN总线的电液控制系统通信数据量越来越大,总线数据冲突增多,高优先级节点占据总线控制权,造成了低优先级节点持续发送失败的饥饿现象,严重影响通信实时性,阻碍其智能化进程,甚至威胁工作面安全工作生产。针对这种现象,对液压支架电液控制通信系统进行了详细的分析,结合系统结构和信息特点对CAN标识符和动态调度算法进行设计,提出了基于EDF(Earliest Deadline First)的总线动态调度策略,通过实验验证,该动态调度策略能够极大改善节点饥饿现象,降低系统平均时延,提高系统的实时性,为实现自动化无人值守工作面打好基础。

千米钻机电控系统二次回路瞬态干扰分析与抑制

千米钻机电控系统工况复杂、负载多变,并且融合多个一次回路,从而使瞬态干扰频谱分布随机性高,易出现模态混叠现象。为提升智能感知精度,千米钻机电控系统二次回路往往采用高带宽增益运算放大器,已有适用于二次侧端口设备的模型不再适用于小信号检测电路的稳定性分析。千米钻机电控系统瞬态干扰频域分布范围广泛,要求电路在很宽的频域内有较强的抗干扰能力。传统抗干扰措施存在频带较窄、高频抑制作用不佳的缺陷;多级RC、LC滤波电路存在阻抗不匹配、体积大的问题。针对上述问题,以15000型千米钻机电控系统的二次回路信号采集电路为研究对象,对二次回路中瞬态干扰进行分析。采用无参尺度空间表达的经验小波变换(EWT)算法,利用尺度空间变换划分得到频谱分割点,进而提取出具有紧支撑框架的模态分量,引入模态分量的峭度指标特征划分瞬态干扰信号与白噪声信号,确定瞬态干扰的频域分布。通过构建电控系统二次回路含寄生参数的小信号电路等效模型,探寻反馈回路引脚寄生电容与触发振铃或自激振荡的干扰信号频率阈值的规律,分析瞬态干扰频域特征对电路稳定性的影响。结果表明:在输入输出存在30 pF引脚寄生电容时,传导进入瞬态干扰信号使稳定性下降,且引起失稳的触发频率随引脚寄生电容增加而降低。利用铁氧体磁珠类似并联谐振的高阻特性,设计了一种二阶滤波电路。实验室试验结果表明:当干扰经过含铁氧体磁珠的二阶滤波电路后,在信号采样电路敏感的0.2 MHz以上频段,干扰幅值均抑制在-35 dBV以下,信号采样电路无异常输出。工业样机运行数据中敏感频段干扰幅值均抑制在-35 dBV以下,与实验室试验结果基本一致,满足抗干扰要求。

基于卷积神经网络的气体绝缘组合开关盆式绝缘子螺栓松动检测方法

盆式绝缘子是气体绝缘组合开关中的关键绝缘器件,通过螺栓与两侧气室法兰进行紧固连接,当螺栓预紧力分布不均时会导致盆式绝缘子应力分布不均,严重时会引起绝缘子破裂,从而影响电力设备运行的安全性和可靠性。文章搭建了盆式绝缘子螺栓松动超声波检测系统,以获取不同螺栓不同工况下的超声信号,基于卷积神经网络对超声信号进行特征提取。实验结果表明,卷积神经网络可以自动提取盆式绝缘子螺栓松动特征量,当迭代次数为320、学习率为0.001时,10种螺栓松动工况的识别准确率达到100%。该检测方法可实现对盆式绝缘子法兰螺栓松动的检测,判断螺栓松动状态,具有一定的工程实用价值。

混合型本安电路短路瞬态能量分析

目前针对本安电路本安特性的研究大多以IEC火花实验装置为实验平台,仅对单一电容电路或电感电路的放电特性进行分析,存在适用性差、实验条件要求高等问题,缺少对混合型本安电路本安特性的研究。针对该问题,在GB/T 3836.4—2010《爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备》的基础上,以截流型保护方式下的混合型电路为实验对象进行短路瞬态能量实验,通过分析短路瞬态能量释放过程,建立了短路瞬态能量数学模型,分析了等效数学模型中电容、电感、电源电压和保护时间对短路瞬态能量的影响。Matlab仿真结果表明:随着电容和电感的增大,短路瞬态能量会逐渐增大,最后趋于一个稳定值;增大电源电压会显著增加短路瞬态能量;缩短动作保护时间可有效降低瞬态能量,但只有当保护时间小于临界时间时其作用才明显。基于短路瞬态能量数学模型开发了本安电源,进行了短路实验。实验结果表明:短路电流和电压波形与理论分析基本吻合,短路瞬态能量为33.22µJ,符合本安要求,可为本安电源的设计提供参考。

智能化锚杆钻车电磁型自动抓网装置的设计开发

针对现有煤矿井下锚杆钻车抓网速度慢,铺网效率低,参与人员多等问题,根据智能化锚杆钻车的基本要求,提出了一种智能化锚杆钻车自动抓网装置的设计方案。根据锚网属性,采用多直流电磁铁均匀分布吸网模式实现锚网的自动抓取。基于SolidWorks对抓网装置进行了三维建模,以确定各构成单元之间的工作协调性。通过理论计算获得了直流电磁铁的相关参数,为选择电磁铁提供理论依据。基于ANSYS Workbench有限元仿真平台分析了直流电磁铁吸合面处于不同位置时对锚网的吸力大小,验证了理论计算和布局方式选择的正确性。最后,搭建了实验平台,对自动抓网装置技术方案进行了实验验证。结果表明:电磁铁位置布局设计合理,吸力大小满足锚网稳定抓取及自由移动的技术要求。

基于超声导波能量的盆式绝缘子裂纹检测方法研究

盆式绝缘子作为GIS设备的主要绝缘部件,其裂纹缺陷将直接影响到设备的安全运行。为了实现超声导波对盆式绝缘子的裂纹检测,文章首先研究了兰姆波在盆式绝缘子内部的传播机理并绘制了相应的频散曲线,提出了利用传感器离散电压信号计算超声导波能量的简化公式,进一步通过有限元仿真模型探究了裂纹对超声导波能量传播规律的影响,最后,通过实验对检测方法可行性进行了验证。研究结果表明,在超声发射端不变的情况下,传感器接收信号的能量衰减率将随裂纹尺寸的增大而增大,且距离缺陷位置越近,其能量衰减率变化越大。该检测方法可实现盆式绝缘子的裂纹检测,且提高了超声导波检测微小裂纹时的灵敏度,具有一定的工程实践价值。

矿井电网过电流特征分析及其保护系统的研究

分析了电网中过电流的故障特征 ,描述了过电流保护系统的工作原理 .重点介绍了对称短路相敏保护特性曲线的确定方法 ,设计了负序电流滤波器 ,建立了过负荷保护的数学模型 .给出了以单片机为中央控制单元所构成过电流保护系统的硬件结构和软件框图 ,下井前对保护系统进行了试验 ,动作指标符合设计要求 ,提高了保护灵敏度 ,增加了保护范围 .现场运行表明 ,该保护系统性能稳定 ,动作可靠 。