基于煤岩可钻性的钻孔机器人自适应控制方法

由于含煤地层的地质力学环境复杂,导致钻孔机器人给进系统的给进阻力和回转系统的负载转矩复杂多样。现有技术仅通过既定程序控制执行机构进行流程化的动作,钻进过程的自适应智能控制水平低,当钻进工况变化时易造成卡钻、断钻等事故,降低钻孔机器人的钻进效率,影响工作周期。针对该问题,提出一种基于煤岩可钻性的钻孔机器人给进回转双回路PID自适应控制方法。首先以钻进效率和钻进安全为控制目标,选择钻压、转矩作为煤岩可钻性模型的输入参数,运用小波包分解对钻进过程数据进行特征提取,得到样本数据和测试集,利用BP神经网络进行训练和验证,建立煤岩可钻性模型,获取当前钻进工况下推荐钻速和转速。然后基于煤岩可钻性模型,设计了基于PID控制的恒转矩控制策略和恒钻速控制策略,钻孔机器人给进回转控制系统通过恒转矩控制回路对设定钻压进行调整以实现恒转矩控制,通过恒钻速控制回路对设定转矩进行调整以实现恒钻速控制,在确保其安全工作下提高钻进效率。最后建立反映给进回转负载的钻头−煤岩相互作用模型并对钻孔机器人给进回转双回路PID自适应控制方法进行仿真测试。结果表明:①在煤岩硬度不变时,该控制方法可以实现恒转矩和恒钻速控制,转矩保持在2000 N·m,钻速保持在6 mm/s。②在50 s时,增大煤岩硬度,采用自适应调整策略后,钻孔机器人给进回转控制系统的钻压、转速等可以很快达到稳定状态。③若推荐钻速6 mm/s对应的实际转矩2350 N·m超过钻孔机器人工作允许的负载转矩,且其实际转速85 r/min小于推荐转速的95%时,通过钻速微调模块降低推荐钻速设定值,进而通过调整钻压使钻孔机器人的转矩调整至最优转矩,确保钻孔机器人再次稳定在恒转矩和恒钻速控制状态。

救援车载钻机钻具自动拧卸系统研制及应用

救援车载钻机施工大直径救援孔时需要频繁起下钻具,钻具自动拧卸系统作为钻机起下钻拧卸钻具的重要组成,其拧卸效率和可靠性直接影响救援钻孔的施工效率与施工安全。针对目前矿山救援车载钻机孔口平台难以满足大直径钻具通过性要求、钻具拧卸自动化水平低等问题,研发可满足大直径钻具通过及快速对中、夹持、自动拧卸功能集成于一体的钻具自动拧卸系统。研制了可与钻机快速拆装的大开口液压孔口装置,可以实时监测和调节孔口装置的水平度,并且满足孔内钻具承载和不同工况的起下钻施工要求。研制了具有双导轨结构的钻具自动拧卸装置,可以实现液压吊卡起下钻和顶驱加装双臂钻具起下钻两种施工工艺。经过结构仿真分析、型式检验和现场工业性试验,最终形成一套大通径、结构紧凑、具有高负荷承载力,可实现手、自一体化一键上卸扣作业,满足850 mm集束潜孔锤起下钻要求的钻具自动拧卸系统,提高了钻具拧卸效率,为救援钻孔的快速施工提供了可靠的装备保障。

基于等价输入干扰方法的钻孔机器人给进力跟踪控制

煤矿井下施工瓦斯抽采孔作业过程中,钻孔机器人给进系统用于钻进过程加压、减压和给进。针对复杂地层不确定性扰动影响钻孔机器人工作性能和钻孔施工质量及效率的问题,首先分析钻孔机器人的结构组成和钻进施工工艺,根据其给进系统的工作原理,建立了减压阀控制数学模型,获得了控制输入量电磁铁电流与控制输出量减压阀出口压力的映射关系,并在明确给进力驱动方式的基础上对整个给进系统进行控制建模。随后设计了钻孔机器人给进力跟踪控制系统,使用Luenburger全维状态观测器重构被控对象状态,建立基于等价输入干扰估计(EID)与补偿的控制结构,设计了状态反馈控制器、状态观测器和干扰估计器增益矩阵,实现给进力闭环控制系统稳定的同时具有满意的跟踪与扰动抑制性能。最后利用Matlab软件搭建数值仿真模型,以某煤矿井下实际钻进施工时给进系统的实测钻进数据信号为例进行仿真研究,以给进力为控制目标,实测减压阀输出压力波动为依据设计外部扰动信号,分别采用所提EID控制方法和PID控制方法进行了对比仿真。结果表明:所提方法获得了比PID方法更小的稳态跟踪误差峰峰值,且跟踪误差更小,保证了给进系统稳定运行,具有较好的跟踪与扰动抑制性能。研究结果对提高钻孔机器人适应复杂煤层负载变化,保证其工作性能和安全高效施工提供了控制理论基础。

煤矿坑道钻进过程智能优化与控制技术

煤矿坑道钻进施工环境恶劣、复杂的煤层结构和繁杂的操作工序造成钻进效率低、钻进成本高。开展煤矿坑道钻进过程优化与控制技术的研究势在必行。围绕煤矿坑道钻进控制过程关键技术,从含煤地层岩性智能识别、钻进参数智能优化和智能控制3方面展开。首先,为了准确判断含煤地层类型,建立基于BP-Adaboost的含煤地层岩性智能识别模型。然后,在不同含煤地层条件下,建立基于机械比能和钻速的智能优化模型,为司钻人员提供最优给进压力和转速参考值。进而,提出一种基于模糊PID的给进压力控制策略,实现给进压力的有效控制。最后,基于煤矿坑道钻机智能钻进系统在淮南矿区某煤矿井下进行了现场试验。试验结果表明:所提含煤地层岩性智能识别方法的识别准确率达到96.75%;智能优化方法显著提升现场钻速,消耗的机械比能降低,在提高钻进效率的同时降低了钻进成本;给进压力控制策略使给进压力稳定运行在最优值附近,减小给进系统超调的同时,提升系统的响应速度,使给进压力的动态响应更加平稳。煤矿坑道钻进过程智能优化与控制技术能够保障钻进过程安全高效运行,促进煤矿坑道钻进技术智能化发展。

一种快速接钻杆方法在大功率电液钻机的应用

针对大功率电液钻机钻杆取放和钻杆拧卸(统称接钻杆)耗时长、效率低的问题,提出了一种快速接钻杆方法。为了实现快速下钻接钻杆,采用一种机械臂闭环联动和动力头同步上扣方法:接收到下钻接钻杆指令后,机械大臂、机械横梁和动力头同时动作,当钻杆在移动过程中与动力头和主夹持器干涉(碰撞),机械横梁停止动作,动力头继续后退,远离主夹持器,当干涉解除,机械横梁继续移动直至到位后,机械大臂和机械小臂联动,将钻杆自上而下快速放入中部上卸区域,当正转压力达到预设值10 MPa,钻杆丝扣啮合结束。考虑提钻接钻杆为连续循环动作,采用差值位移同步法:通过计算机械抓手径向缩回和机械横梁轴向位移差值,有效解决动力头与钻杆丝扣松开过程中,机械臂抓放钻杆时间过长、干涉等问题。当机械抓手径向升高300 mm时,与机械横梁轴向位移差值越大越安全,在动力头松开前扣完成后,机械臂复位,控制结束。工业性试验结果表明,该快速接钻杆方法的下钻接钻杆、提钻接钻杆用时分别较常规方法节省179,41 s,整体下钻接钻杆、提钻接钻杆成功率分别较常规方法提高22.3%,19.1%。

动压巷道坚硬底板底鼓治理施工技术研究及应用

为解决动压巷道坚硬底板底鼓无法通过风镐进行起底作业的难题,基于巷道围岩治理安全高效的施工需求,引入了"静态破碎技术"辅助治理坚硬底板底鼓的思路,提出了巷道底鼓机械化快速施工的技术方案。通过分析静态破碎剂的工作原理、技术特点及施工方法,结合巷道修复机在山西新元煤矿的应用,结果表明:该套施工技术方法可以有效提升煤矿巷道修复的机械化作业水平,降低工人劳动强度,实现减员增效,为今后类似条件巷道底鼓治理提供技术参考。

ZDY750L底锚钻机在新元矿底板锚固施工中的应用

针对煤矿巷道底板锚固施工布孔密集、钻机搬移频繁等问题,为提高巷道底板锚固孔的施工效率,研制的ZDY750L底锚钻机采用分体履带式结构,宽度窄,施工机动性强;采用摇臂式偏转机构,使钻机实现一次停车完成两个底板锚固孔的施工作业。以新元矿3号煤南区集中胶带大巷工业性试验为例,ZDY750L底锚钻机操作简单,移动灵活,定位精确,对底鼓巷道适应性强,降低了工人劳动强度,改善了工作面作业环境,实现了高效施工底板锚固孔作业的功能,为同类煤矿巷道底板治理提供借鉴及指导。

掘锚一体机机载锚杆钻机的研制

为提高掘进工作面锚杆支护作业的施工效率,研发了一款主要为掘锚一体机配套用机载锚杆钻机;钻机结构尺寸紧凑,与掘锚机配套适用性强,可实现多角度钻孔施工,具有调角速度快、钻孔效率高等优点;对钻机的给进装置、回转器及液压系统3个关键部分的设计进行了研究。试验表明:钻机结构设计合理,能满足掘锚一体机的锚杆支护快速施工。

机载锚杆钻机钻架有限元模态及谐响应分析

机载锚杆钻机是锚杆支护的关键设备,钻架作为主要承载结构件,其稳定性和安全性至关重要。基于模态分析理论,利用ABAQUS有限元分析软件,以ZDY400M机载锚杆钻机的钻架为研究对象,分析得出其前6阶固有频率和模态振型动力学特征,并在模态分析的基础上对钻架开展谐响应分析,通过分析其不同位置处的位移和应力频谱特性,为钻架及整机结构的动态设计提供参考依据。

煤矿井下双臂探放水钻机用泵车设计

针对常规探放水钻机采用静压水施工时水压低、水流不稳定,配套专用的大功率泥浆泵车成本高,同时受井下掘进迎头钻探施工空间限制,根据探放水施工工艺和特点,采用负载敏感液压技术和两体化的设计理念,进行了泵车主要部件选型、液压系统和泵车整体布局等设计。研制了一种煤矿井下探放水钻机用泵车,克服了井下静压水对钻探负载适应性差的不足和履带钻机外形尺寸大带来的运输和施工不便的问题,该泵车可以同时满足双臂钻孔的施工要求,提高钻孔施工效率,有效保障煤矿生产安全。

非对称结构的锚杆钻臂给进杆有限元分析及优化设计

针对一种非对称锚杆钻臂给进杆在工作过程中受主给进油缸的偏载推力与拉力而影响锚杆钻臂工作可靠性的问题,应用有限元分析软件ABAQUS对给进杆进行有限元分析。结合理论分析及有限元分析结果,对其进行了优化设计,提高了给进杆的结构强度,为该结构的优化设计提供了理论依据,对其他钻机类似结构的给进杆优化设计也具有参考价值。

全液压履带钻机在煤矿巷道底板锚固施工中的应用

底板锚固技术作为目前国内防治巷道底鼓的一种主要支护加固方法,能够有效解决软岩巷道底鼓问题。针对目前煤矿巷道专业底板锚固钻机急缺的难题,为提高巷道底板锚固孔施工效率,采用研发的全液压履带钻机进行底板锚固孔施工,并在现场进行应用。结果表明:全液压履带钻机的各项性能均满足底板锚固孔施工要求,整体结构安全可靠,实现了高效施工底板锚固孔作业的功能,为类似矿井巷道底鼓提供了参考。

浅谈祛湿方剂的配伍

祛湿方剂是治疗湿邪为病的一类方剂,由于湿邪多与风、寒、暑、热等邪相合,故祛湿又分为化湿、燥湿、利湿。可见临床应用祛湿方剂时,应根据其所现证候,随证加减。

煤矿巷道双臂探放水钻机

为提高掘进工作面探放水孔作业的施工效率,研发一款具备2个工作臂、机身窄、移动灵活、稳固调角速度快、可与掘进机交替进行施工的快速成孔钻机;并对钻机的回转器、给进机构及变幅机构3个关键部分的设计进行了研究。试验表明,钻机结构设计合理,能满足掘进工作面探放水快速成孔施工要求,为煤矿巷道安全高效掘进提供了可靠的装备保障。

钻机多变幅机构瞬时动态响应衰减特性研究

为研究全液压钻机多变幅机构的可靠性、安全性,确定瞬时冲击激振力作用下多变幅机构动态响应的衰减特性,基于模态分析理论,通过ABAQUS有限元分析软件,以ZDY2-3200LF全液压钻机的多变幅机构为研究对象,获得其固有频率和各阶振型,并在此基础上,以全液压钻机的最大给进力作为多变幅机构的瞬时冲击激振力,获得其应力和位移的动态响应曲线。研究结果为多变幅机构的优化设计提供依据,对其他全液压钻机多变幅机构的优化设计也具有参考价值。

巷道修复机工作机构LUDV液压系统特性研究

为解决巷道修复机多个工作机构的联动协调问题,提高整机工作效率和可靠性,设计开发了巷道修复机工作机构LUDV液压系统原理图,利用AMESim软件建立了仿真模型并进行仿真研究,在试验台和地面试验过程中对该LUDV液压系统进行了测试分析,结果显示,当变量泵处于流量饱和工况时,动臂油缸和斗杆油缸的流量分别为46.5L/min和54.7L/min,相互独立,互不影响。井下工业性试验表明,该LUDV液压系统提高了整机的操作性能和工作效率,研究结果为巷道修复机工作机构LUDV液压系统的优化设计提供了理论依据。

双臂钻机在掘进工作面探放水钻孔施工中的应用

针对煤矿巷道掘进工作面探放水钻孔数量多、施工速度慢的问题,研制了一款机身窄、移动灵活、具有两个工作臂的分体式履带钻机,并在高河煤矿E2308主运输巷掘进工作面进行了现场应用。结果表明:钻机结构设计合理,安全可靠,作业辅助时间缩短30%,钻孔效率提高60%,为类似矿井掘进工作面探放水钻孔施工提供了借鉴及指导。

WPZ-45/700LY型煤矿用远控巷道修复机关键技术

为解决煤矿井下低矮变形巷道顶板和侧帮垮落危险区域缺乏专用、可靠设备的难题,提出了巷道治理施工机型及工艺的选择要求,研制了WPZ-45/700LY型煤矿用远控修复机,研究了工作机构、执行机构、快换装置、液压系统和远控系统等关键技术,分析了修复机各部件功能及技术特点,并在地面进行了型式试验,累计完成地面修复进尺50 m,修复厚度为0.3~1.2 m,远控距离20 m,平均起底效率约2.8 m/h。试验表明:远控巷道修复机结构设计合理,液压系统和电控系统可靠,施工效率高,满足巷道围岩治理施工设备工艺要求。

双臂窄体分体式履带钻机研制

为有效减少掘进工作面的水害事故,基于掘进工作面探放水钻探施工要求和分体式钻机存在问题,研制了ZDY2-3200LF型双臂窄体分体式履带钻机。介绍了钻机的总体设计思路、结构组成及液压系统特点。该分体式履带钻机加工、装配、调试完成后在国家安全生产检测检验中心钻机性能试验台上进行了负载性能测试,试验表明,钻机结构设计合理、性能稳定可靠,各项技术指标达到设计要求,为提高巷道掘进速度、保证安全生产提供了强有力的装备支撑。

适应复杂煤层救援钻进工艺的钻具快速拧卸装置

针对煤矿事故中解救被困人员效率不高的钻井工艺问题,分析了影响快速钻进的因素。通过救援用车载钻机模块化和智能化技术,开发了一种钻具快速拧卸装置;装置可支持多种规格直径钻具快速通过并实现了节省辅助作业时间的高效对中、夹持、自动拧卸功能。对模块化平台的具体机械结构进行了优化,采用了井口平台自动调平策略,形成了一键自动化拧卸装置;快速拧卸钻具装置可与主机快速拼装,实现了节省救援时间,快速钻具拧卸的目的。