劉文星

（張家口宣化華泰礦冶機(jī)械有限公司，河北張家口 075100）

0 引言

本文介紹的一款自動(dòng)換桿可無(wú)線遙控帶儲(chǔ)桿器的地下礦用液壓采礦鉆車，主要目的是降低地下采礦操作人員的數(shù)量，減少鉆機(jī)操作者冗余的動(dòng)作，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使操作人員遠(yuǎn)離未經(jīng)加固的巖石，消除采礦生產(chǎn)過(guò)程中的系列性安全隱患，并且大幅提升作業(yè)安全性和舒適性。

本文主要描述該機(jī)器在工作斷面鉆孔工況下，電控系統(tǒng)控制程序中用到的數(shù)學(xué)公式，以及為適應(yīng)實(shí)際采礦鉆孔工藝，程序做出的局部調(diào)整。

地下礦用液壓采礦鉆機(jī)，采用的控制系統(tǒng)是以CAN 技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)鉆機(jī)的鉆孔與其它功能進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，如圖1所示。

圖1 礦用液壓鉆機(jī)在地下礦山的作業(yè)施工狀態(tài)

1 數(shù)學(xué)公式

1.1 重回歸法

在工程應(yīng)用中有很多工作數(shù)據(jù)，需要通過(guò)數(shù)學(xué)公式使之相關(guān)聯(lián)，從而服務(wù)于機(jī)器設(shè)備的實(shí)際工作中。地下礦用液壓采礦鉆機(jī)控制程序中運(yùn)用的數(shù)學(xué)公式，是結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)樣本采集，使用重回歸數(shù)學(xué)法計(jì)算得出。通過(guò)Matlab[1]程序，將重回歸計(jì)算方法[2]編譯成計(jì)算機(jī)代碼；使用文本命令讀取樣本數(shù)據(jù)，即textread 命令，讀取dat 格式的數(shù)據(jù)文件；采用最小二乘法[3-4]對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性計(jì)算。從而歸納出一套與實(shí)際情況相匹配的，且僅適用于本機(jī)型的數(shù)學(xué)公式和曲線。

樣本數(shù)據(jù)采集。記錄地下礦用液壓采礦鉆機(jī)實(shí)際工作中相關(guān)壓力值，全文使用P 表示，以及對(duì)應(yīng)的控制器輸出的信號(hào)值，全文使用x表示；直到壓力值溢流，具體采集的數(shù)值格式如表1所示數(shù)據(jù)樣本，表中數(shù)據(jù)僅截取了原始樣本數(shù)據(jù)中的兩組數(shù)值。表示采集的數(shù)據(jù)越多，得出的數(shù)學(xué)方程越趨近于真實(shí)情況。

表1 數(shù)據(jù)樣本

將二次回歸[3]計(jì)算步驟編寫(xiě)入Matlab 軟件時(shí)，采集數(shù)據(jù)的輸出信號(hào)設(shè)置為方程的因變量，而相對(duì)應(yīng)的液壓實(shí)際壓力值作為方程的自變量輸出。一切就緒，運(yùn)算程序，將會(huì)得出3 個(gè)回歸方程系數(shù)，分別為A、B、C，以及1 個(gè)關(guān)聯(lián)系數(shù)r，方程系數(shù)如圖2所示。這些系數(shù)的輸出方式與編譯的程序相關(guān)，格式不是唯一，也可編譯為直接顯示數(shù)學(xué)公式，如圖3所示線性回歸結(jié)果。Matlab程序得出的3 組回歸方程系數(shù)，用于組合成二次方程；而其下的關(guān)聯(lián)系數(shù)[4-5]，則用于判斷此方程與真實(shí)數(shù)據(jù)之間的契合度，幫助研究人員判斷方程的可信度，是否值得采用。

圖2 方程系數(shù)

圖3 重回歸曲線

重回歸計(jì)算方法[4-5]。歸納原始樣本數(shù)據(jù)得出的方程系數(shù)A=-47.005 492；方程系數(shù)B=0.301 860；方程系數(shù)C=0.000 122；相關(guān)系數(shù)，即關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.999 30，關(guān)聯(lián)系數(shù)轉(zhuǎn)化為百分比表達(dá)為99.9%。根據(jù)相關(guān)系數(shù)值99.9%可知，得出的系數(shù)所組成的二次數(shù)學(xué)方程，與采集的原始數(shù)據(jù)幾乎完全吻合，如圖3 曲線，此圖深色線是通過(guò)Matlab 程序運(yùn)算重回歸計(jì)算法得到的二次數(shù)學(xué)公式；淺色圓圈則是Matlba 通過(guò)readtext 命令讀取的dat 格式的原始數(shù)據(jù)，一個(gè)淺色圓圈代表一組數(shù)值。根據(jù)以上分析，此組系數(shù)可以運(yùn)用于本設(shè)備的控制程序中。

最終得出，實(shí)際壓力值P 與輸出信號(hào)x 之間的二次方程為：

1.2 線性回歸求數(shù)學(xué)公式

由于圖3 曲線顯示曲線趨于直線，隨對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸的求解。一是核對(duì)所得方程的合理性；二是為后續(xù)系列產(chǎn)品的應(yīng)用做相應(yīng)鋪墊。

同樣采用最小二乘法計(jì)算。使用Matlab 軟件將線性回歸方法編譯成機(jī)器語(yǔ)言。重回歸方法與線性回歸法均采用最小二乘法，但Matlab 程序不同，不可混淆使用。同樣便于數(shù)據(jù)輸入，采用readtext 命令對(duì)dat 格式文件進(jìn)行讀取。運(yùn)行結(jié)果如圖4所示線性回歸結(jié)果；線性回歸方程斜率為0.408，常數(shù)項(xiàng)數(shù)值為-67.512，原始數(shù)據(jù)共38組，對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.999。

得出的一次數(shù)學(xué)方程為：

圖4 線性回歸結(jié)果

通過(guò)關(guān)聯(lián)系數(shù)值99.9%可知，此一次數(shù)學(xué)方程與原始數(shù)據(jù)的契合度同樣非常高。原始數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)方程顯示在圖5所示線性曲線中。圖中深色線也是通過(guò)Matlab 程序得出的二次數(shù)學(xué)方程；淺色圓圈則是采集的原始數(shù)據(jù)，同樣一個(gè)淺色圓圈代表一組樣本數(shù)值。

圖5 線性回歸曲線

2 故障分析

2.1 故障一

儲(chǔ)桿器是地下礦用液壓采礦鉆機(jī)[6]的一個(gè)重要部件，圖6所示為儲(chǔ)桿器[7-8]示意圖。圖中標(biāo)號(hào)1 為儲(chǔ)桿器的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件，用于存放不同型號(hào)和類型的鉆桿和釬桿；標(biāo)號(hào)2 為機(jī)械手，用于夾持釬桿，將釬桿存入儲(chǔ)桿器內(nèi)，或在鉆機(jī)工作時(shí)，取出釬桿。儲(chǔ)桿器主要功能是儲(chǔ)存不同種類和不同數(shù)量的釬桿，保證有足夠的鉆孔工具，供地下礦用液壓采礦鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔工作。避免操作人員取鉆桿，人工接桿而造成的時(shí)間浪費(fèi)和人員因操作失誤造成的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷害。

圖6 儲(chǔ)桿器示意圖

（1）情況描述

礦用液壓采礦鉆機(jī)在某礦山作業(yè)時(shí)，出現(xiàn)儲(chǔ)桿器無(wú)法正常轉(zhuǎn)庫(kù)現(xiàn)象。某一工作時(shí)刻，儲(chǔ)桿器旋轉(zhuǎn)動(dòng)作出現(xiàn)停止?fàn)顩r。

（2）故障分析

位于儲(chǔ)桿器機(jī)械結(jié)構(gòu)的下方，有數(shù)個(gè)傳感器，用于控制儲(chǔ)桿器的轉(zhuǎn)庫(kù)動(dòng)作。安裝位置位于工作裝置表面，雖然設(shè)計(jì)過(guò)程已考慮了必要的防護(hù)措施，但也有發(fā)生磕碰的可能性。經(jīng)初步檢查，傳感器沒(méi)有出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)破損。鑒于釬桿庫(kù)旋轉(zhuǎn)功能動(dòng)作異常，對(duì)直接控制其動(dòng)作的傳感器有必要進(jìn)一步檢測(cè)。

拆卸3組傳感器，分別對(duì)這3組傳感器進(jìn)行指示燈閃亮檢測(cè)。均出現(xiàn)紅燈閃爍指示，表明傳感器均可正常工作。重新啟動(dòng)設(shè)備，此次操作僅針對(duì)儲(chǔ)桿器的相關(guān)動(dòng)作。首先單獨(dú)操作儲(chǔ)桿器的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，一切正常，旋轉(zhuǎn)速度正常，控制器發(fā)出指令后，旋轉(zhuǎn)動(dòng)作沒(méi)有延時(shí)。其次，單獨(dú)操作機(jī)械手，將鉆桿存入鉆桿庫(kù)中；或取出鉆桿，沒(méi)有儲(chǔ)桿器沒(méi)有異常報(bào)警。當(dāng)儲(chǔ)桿器處于旋轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)時(shí)，操作者按下控制機(jī)械手動(dòng)作的按鈕，儲(chǔ)桿器出現(xiàn)停止旋轉(zhuǎn)的狀況。

造成故障的操作方式已找出。造成此現(xiàn)象的原因是，儲(chǔ)桿器處于旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)時(shí)，若按下操作機(jī)械手的按鈕，即控制器接收到兩套動(dòng)作指令，控制儲(chǔ)桿器的油液會(huì)分流出一部分至機(jī)械手臂的油路中，致使控制儲(chǔ)桿器油路中的油液流量降低，引起此油路中的鎖定油缸停止動(dòng)作。

（3）采取措施

經(jīng)過(guò)多種嘗試，最終確定，調(diào)整控制儲(chǔ)桿器工作程序，以適應(yīng)實(shí)際操作環(huán)境。將程序代碼調(diào)整為：在儲(chǔ)桿器旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，強(qiáng)制鎖定機(jī)械手，使儲(chǔ)桿器不受外界控制，控制儲(chǔ)桿器油路中的油液流量不發(fā)生變化；當(dāng)儲(chǔ)桿器旋轉(zhuǎn)結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)指令時(shí)，鎖定機(jī)械手的指令解除。

2.2 故障二

（1）情況描述

某時(shí)段工況，鉆機(jī)進(jìn)行接卸桿操作時(shí)，駕駛室內(nèi)的顯示器中的推進(jìn)壓力值為0。

（2）故障分析

對(duì)于沒(méi)有推進(jìn)壓力，測(cè)定相應(yīng)管路中的流量，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值低于正常值。推進(jìn)流量開(kāi)度過(guò)低，比例閥沒(méi)有完全打開(kāi)。

（3）采取措施

推進(jìn)流量開(kāi)度小的問(wèn)題，采取恢復(fù)顯示器控制推進(jìn)速度，增加鉆桿的回轉(zhuǎn)速度。同時(shí)采取了額外輔助措施。機(jī)器在鉆孔時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)鑿巖位置的最后30 mm 時(shí)，推進(jìn)壓力降到45 bar；使釬桿達(dá)到震桿狀態(tài)，方便卸桿。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖5所示為線性曲線x軸上在200～250之間的數(shù)值，偏離線性回歸求出的數(shù)學(xué)公式，暫定本設(shè)備使用重回歸計(jì)算所得方程[8]。由于兩種方程的關(guān)聯(lián)系數(shù)極高，隨線性回歸所算方程用于實(shí)驗(yàn)階段公式。若滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果要求，系列產(chǎn)品可酌情使用。