基于能量流分析的新能源地下铲运机能耗优化研究

能量流分析是一种分析车辆能量消耗的重要手段,是车辆能耗优化的基础。新能源电池地下铲运机是新型地下矿用设备,对其能量流动与各部件能耗效率研究较少。探究其井下作业的能量损耗是延长其续航时间的研究重点。首次将能量流分析方法应用于新能源铲运机的能耗分析,建立了能量流模型,根据电池温度与铲运机工况设计试验分组并进行工况测试,采集测试数据并基于能量流分析方法对测试结果进行研究。结果表明,新能源铲运机较大的能量损失集中于牵引系统与电池系统。其中驾驶员不适应电驱动操作造成的无效操作与牵引系统控制策略不完善,是导致牵引系统的高能耗的主要因素;电池系统快速充电造成的积温会影响铲运机的能量分配,降低其续航时间。通过对牵引系统与电池系统的优化,实现了新能源铲运机的能耗降低13%。研究结果表明,对新能源铲运机进行能量流分析能够直观了解其能量流动与能耗情况,有助于发现高能耗问题并提出优化方向,从而降低能耗,改善能量利用效率,延长续航时间。

基于改进混合A*算法的地下无人铲运机智能路径规划

矿山无人铲运机自主定位导航是井下采矿装备智能化程度评价的重要指标,其中路径规划是铲运机自主行走的重要组成部分。而目前井下铲运机的规划路径多以巷道中心线为基础或难以执行,本文提出了一种适用于地下矿采场无人铲运机的混合A*算法进行出矿点到卸矿点的全局路径规划。首先分析了井下铲运机的运动模型,确定其路径规划参考点及车辆本身的数学结构关系,简化路径规划问题复杂度;其次针对铲运机作为非完整约束机器人,从栅格地图中当前点到目标点启发式函数构建以及子节点扩展方法两个方面设计了混合A*算法进行全局路径规划方法;最终采用地下矿采场中常见的五种巷道交岔口场景进行了路径规划试验分析,证明了以Dubins曲线、Reeds-Shepp曲线以及A*算法的启发式函数值中最大值作为该节点启发式函数的值进行混合A*算法搜索更新较为合理,能得到可以行驶的优化路径。为进一步推进井下铲运机无人化提供了理论基础,保证了规划路径的可执行性。

基于改进A*算法的地下无人铲运机导航路径规划

提出一种基于改进A*算法的铰接式地下铲运机导航路径规划方法。针对地下铲运机的铰接结构,采用按铰接角扩展节点的方法,使扩展节点符合铲运机的轨迹特性;针对巷道狭窄,易于发生碰撞的问题,在估价函数中引入了碰撞威胁代价,避免铲运机与巷道壁发生碰撞。通过仿真试验分析比较了传统A*算法和所提出的改进A*算法的搜索性能,验证了改进A*算法可提高搜索效率。通过多组试验参数比较表明,当碰撞代价加权系数为0.2时,可以得到在避免碰撞情况下的最短路径。最后在实验室环境下实现了无人铲运机的路径规划及轨迹跟踪。跟踪结果表明,采用所提出的算法规划的导航路径,符合铲运机的结构特性,使跟踪误差保持在0.2 m之内,同时也可使铲运机不与巷道发生碰撞,实现安全行驶,验证了所提方法的可行性和实用性。

CANopen协议在地下铲运机控制系统中的应用

针对地下铲运机的可视遥控化控制,提出了一种基于CANopen协议的控制、监测信号通讯方法,搭建了一个基于CAN总线的实验台,详细阐述了如何通过英特康PLC实现主控制器与遥控接收机之间的CAN总线通信,实现控制信号与监测信号在各模块之间的快速传送目的。实验台上的运行结果证明:CANopen协议可应用于在地下铲运机的控制系统中,控制效果良好,可靠性高,具有很高的推广应用价值。

地下铲运机整机结构强度分析及实验研究

建立了地下铲运机整机结构有限元模型,提出铰销、油缸、轮胎及边界条件的模拟方法。进行了ACY-2型地下铲运机整机结构强度实验,验证了整机有限元模型的正确性。同时根据此模型对3种工况下铲运机的结构强度进行了分析,结果表明,铲斗插入料堆正常作业的牵引工况下,铲运机结构满足强度要求;而后轮离地和前轮离地两种极限工况是危险工况。

地下铲运机动态称重系统的理论研究

地下铲运机在工作过程中对铲斗物料进行自动称重,当前实际应用中多采用测量举升大臂油缸的油压来计算铲斗中物料的质量。此方案中称重精度的提高是难点,误差产生的原因包括:1)工作机构的摩擦阻尼、地面不平、称重物料重心的变化等客观原因;2)称重模型较为复杂,目前理论分析有不足之处,导致推导的称重计算公式不够精确,只能运用插值、区间测量等手段缩小误差。通过对铲运机称重的力学模型进行分析,设计适合实际应用的称重方案,对此方案推导出更加完善的称重计算公式。找到油压值随举升速度变化的规律,给予合理的理论解释,并做了大量的试验进行验证,形成一套既有理论支撑、同时可应用于工程实际的高精度的地下铲运机动态称重方案。

基于CAN地下混合动力车辆电控系统设计分析

针对地下混合动力铲运机的作业工况和混合动力驱动系统的需求,设计了混合动力铲运机以主控制器为主,传统线束和CAN总线通信相结合的电控系统。实现了主控制器对整车各子系统运行状态的采集和控制指令的发送,实现了作为混合动力驱动系统控制策略载体的主控制器对整车的控制。并搭建混合动力驱动系统试验台架,对混合动力驱动系统联合调试。通过试验调试,使得混合动力驱动系统能够根据不同工况选择不同的工作模式,并实现各种工作模式的平滑切换,并有效防止了母线欠压、过压等故障,所设计的控制系统可以满足整车的控制需要,为实车测试提供参考。

基于RANSAC的地下矿山巷道边线检测算法

巷道边线是井下铲运机反应式导航系统中重要的感知信息。为了准确可靠地在井下环境中感知巷道边线,提出一种基于二维激光扫描信息和随机抽样一致性(RANSAC)的巷道边线检测算法。首先计算每个激光点的曲率,根据曲率阈值将激光点云划分为多个区域;然后基于RANSAC从每个区域提取直线,并根据铲运机航向角及巷道的设计标准进行筛选;最后合并筛选后的激光点云数据,使用RANSAC算法生成最终的巷道边线。基于地下矿山6种典型的巷道场景对算法效果进行验证,结果显示提取的巷道边线可靠度均达到96%以上,且算法具有很高的实时性和稳健性。

略谈国内外地下装载机自动化现状与发展趋势

地下装载机是非煤地下矿无轨采矿的主要设备。由于地下矿经过长期和大规模开采,浅层矿产资源逐渐减少,正逐步转入深部开采。深部开采恶劣的工作环境对人体健康和设备安全的危害越来越严重,它促进了地下采矿设备技术发展,经过了人工控制、遥控控制、远距离控制、半自主控制、自主控制等发展阶段,国外有些矿山已经实现了或部分实现了自动化的目标,全自动化、智能化是地下采矿装备的一个重要发展方向。本文简略介绍了国内外地下装载机自动化发展现状与趋势。

基于地下铲运机自主铲装过程的控制算法设计与实验分析

本文以某地下铲运机铲装机构为研究对象,介绍了铲运机及铲装工作机构组成及工作原理,针对不同铲装方法详细分析了自主铲装过程,建立出铲装轨迹并对其轨迹进行跟踪控制,以实现铲运机自主铲装作业。结合专家知识经验,设计了自主铲装控制算法,并对控制算法进行了实验验证,结果表明:自主铲装过程精度高,满斗率达标,验证了该控制算法的准确性和可靠性。

井下铲运机动臂有限元分析

利用Pro/E软件建立井下铲运机动臂的三维模型,以ANSYS Workbench为基本工具,实现了井下铲运机动臂的有限元分析。通过有限元计算,得到动臂在插入工况、举升工况、卸载工况下的应力分布情况。结果表明材料特性满足设计强度要求。证明采用的有限元分析方法可行,可将该法应用于实际的井下铲运机动臂设计中。

基于Automation Studio铲运机液力与静液传动系统对比分析

液力-机械传动系统和液压-机械传动系统是地下铲运机两种重要的传动系统布置方案。针对ACY-10载运为1m^3的小型铲运机传动系统设计,根据铲运机使用要求,设计变量泵、变量马达等元件。采用静液压-机械传动方案,应用Automation Studio搭建整车不同液压系统的分析模型,对铲运机行驶液压系统、转向液压系统、工作液压系统等运行特性进行分析,获得不同工况时系统油路循环,系统所受动载荷特性,系统受动态外载荷作用时工作油缸压力、位置随时间变化曲线。同理根据液力-机械传动系统方案的特点,搭建分析模型,对比分析静液压-机械传动方案和液力-机械传动方案。结果可知:静液压-机械传动方案在最大牵引力、最大铲取力、爬坡能力等方面具有优势,且很好地解决了倾翻油缸系统中出现的波动现象,提高了液压系统的稳定性。可将静液压-机械传动方案作为设计参考。

地下铲运机与地面装载机的性能参数及结构特点比较

地下铲运机具有与地面装载机不同的性能与结构特点。由于这些特点，促使其在矿山广泛应用，现已成为部分矿山必不可少的主要出矿设备。本文以地下铲运机与同斗容地面装载机进行对比，阐明地下铲运机的性能与结构特点，包括功率、牵引力、插入力、铲取力等性能参数的选择和总体布置；驾驶室、发动机等的结构特点。

我国地下铲运机研制状况及发展趋势

自７０年代中期地下无轨采矿机械化在我国兴起以来，作为主要出矿设备的铲运机已有近８００台用于我国数十个大中型地下矿山，其中有３００余台是我国自制的。这些铲运机的应用，有力地推动了矿山生产的发展。本文阐述了我国地下铲运机从无到有的发展进程、国产铲运机的型号和品种、更新研制手段方面的进展及未来的发展趋势。

地下铲运机自动铲取最优轨迹的研究

建立了地下铲运机工作装置的机械手模型系统,通过对铲装过程中作用在机械手末端执行器——铲斗切削边缘的作用力分析及轨迹分析,找到了最小能耗铲取轨迹。但在实际工况中铲斗的运行轨迹与理想状态是有距离的。因此采用了一种智能减阻插入铲取的方法,在最小能耗轨迹的基础上尝试通过智能减阻插入铲取的方法对铲取轨迹进行寻优。通过运动学仿真,铲斗跟随优化后的轨迹进行工作,铲斗所受阻力更小,系统消耗能量更小,生产效率更高,并进一步提高了基于地下铲运机无人驾驶的智能化水平。

基于最小二乘支持向量机的混合动力地下铲运机电机输出转矩预测

针对电机转矩传感器体积较大,在当前的大部分工程机械和汽车中无法安装,造成无法直接实时采集电机的输出转矩的问题。在分析电气系统组成的基础上,提出了基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)算法的电机输出转矩预测模型。模型以混合动力地下铲运机分别在地下试验巷道和眼前山地下矿山巷道工作时采集的载荷谱作为训练和测试样本,以混合动力地下铲运机电机的实际转速、电机直流端电流、电机直流端电压、电机控制器温度和电机绕组温度作为训练模型的输入,以电机的输出转矩作为输出,从而使基于最小二乘支持向量机的模型能够更加全面的体现影响电机输出转矩的影响因素。研究结果表明该模型具有良好的预测精度和适用能力。

关于地下柴油铲运机所排废气的净化

柴油铲运机是地下采矿作业中的高效运矿设备。但其发动机所排出的废气含有多种有害成分,会影响井下工人的健康。文章介绍了柴油铲运机所排废气的成分及其危害,阐述了此类废气的净化方法。认为,保证铲运机良好工况的情况下,若采用氧化催化法、喷水洗涤法、水箱洗涤法、催化—水洗联合法等方法净化废气,能收到良好的效果。

地下铲运机自主铲装技术现状及发展趋势

为提高地下铲运机铲装效率及作业精度,实现铲运机全自动作业,梳理了国内外地下铲运机自主铲装技术的相关理论技术和研究方法,并从环境感知与建模、铲斗轨迹控制和自动称重3个方面对铲装过程的研究成果进行了归纳总结。研究结果表明:当前环境感知与建模技术难以同时满足速度和精度的要求,存在铲斗轨迹控制难度大以及自动称重技术研究不全面等问题。研究多传感器信息融合技术,人工智能技术,以及适用于地下的通信网络是实现铲运机自主铲装的前提,也是未来开展该领域研究的重要方向。

基于V-REP的井下铲运机自主作业仿真试验软件平台研究

虽然增强学习方法能够为井下铲运机自主铲装作业提供解决方案,但直接将其应用在真实环境中进行数据采集存在诸多问题。为满足自主铲装作业训练对数据的需求,借鉴某型号正转四杆结构的井下铲运机,在V-REP中建立铲运机、矿石爆堆及其工作环境的动力学模型,并通过编写控制脚本实现外接设备操纵铲运机作业,仿真和模拟矿石爆堆的生成,从而构建了仿真试验平台。结果证明在虚拟环境下可以实现对井下铲运机在溜井处铲装矿石,并经由运输巷道运输至溜井处卸载矿石这一完整作业流程的仿真。虚拟环境中模型的运动状态良好、模型间交互正常,可作为后续增强学习框架下自主铲装作业的训练环境,也可作为井下作业人员上岗前的培训平台。

地下遥控铲运机环境识别系统的研究

在结合已有环境识别方法的基础上,利用超声波测距、多传感器数据融合及电力拖动原理,提出了一种适合地下铲运机的新型环境识别技术。通过电平转换器,使得PIC单片机与PC机进行通信,通过实时采集和处理测量数据,从而得到准确的环境或被测物的信息。最终为铲运机的避障、安全行车、机群优化、导航定位等控制服务,使得遥控室和车载计算机系统更为默契的协同作业。通过MATLAB程序处理和铲运车模拟行驶验证,该识别技术取得了良好的效果。