邢 健

（西山煤電西曲礦，山西 古交 030200）

刮板輸送機(jī)的直線度會(huì)對煤炭開采過程產(chǎn)生非常重要的影響。如果刮板輸送機(jī)直線度達(dá)不到要求，不僅會(huì)影響工作面采煤效率的提升，還會(huì)對設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞，降低設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)安全生產(chǎn)事故[1]?；诖?，有必要采取措施對回采工作面刮板輸送機(jī)的直線度進(jìn)行檢測，并對其直線度進(jìn)行控制，以此提升設(shè)備運(yùn)行可靠性和采煤效率。

1 刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)及形態(tài)表征

1.1 主要結(jié)構(gòu)

目前煤礦使用的刮板輸送機(jī)主要由機(jī)頭、機(jī)尾、機(jī)身以及其他附屬結(jié)構(gòu)部件構(gòu)成[2]。其中機(jī)頭部位主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、液力耦合器、鏈輪以及推移支撐梁等；機(jī)尾部位主要包括推移支撐梁、滾筒以及鏈輪等；機(jī)身部位主要包括刮板、中部槽、啞鈴銷等。隨著煤礦機(jī)械化水平的不斷提升，當(dāng)前礦用刮板輸送機(jī)的長度越來越長，最大長度約450 m。

1.2 形態(tài)表征

所謂刮板輸送機(jī)形態(tài)，主要是指其呈現(xiàn)出來的狀態(tài)。由于機(jī)身部位占據(jù)比例最大，因此所述的形態(tài)主要是指機(jī)身部位的形態(tài)。機(jī)身部位主要是由中部槽構(gòu)成，相鄰中部槽之間通過啞鈴銷進(jìn)行鉸接。通常情況下，中部槽結(jié)構(gòu)比較規(guī)則且呈前后左右對稱分布，因此在對其形態(tài)進(jìn)行表征時(shí)，可以以中部槽結(jié)構(gòu)兩側(cè)的中心部位為節(jié)點(diǎn)。刮板輸送機(jī)形態(tài)表征如圖1所示，圖中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連成的曲線成為形態(tài)表征曲線。

圖1 刮板輸送機(jī)形態(tài)表征

2 刮板輸送機(jī)直線度檢測方法

回采工作面采煤機(jī)工作時(shí)就是在刮板輸送機(jī)的軌道上往復(fù)行走，實(shí)現(xiàn)煤炭的開采[3]。因此采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡可以反映刮板輸送機(jī)的直線度。相鄰兩個(gè)中部槽結(jié)構(gòu)，在啞鈴銷的連接作用下，其偏轉(zhuǎn)角度偏差不會(huì)超過2°。本研究中基于航位推測原理，結(jié)合中部槽結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸，以及上述基本情況，對刮板輸送機(jī)的直線度進(jìn)行檢測。實(shí)際檢測中需要使用捷聯(lián)慣導(dǎo)裝置，為確保該裝置使用時(shí)的安全性，需要將其放置在防爆箱中，然后再固定在采煤機(jī)上，在采煤機(jī)滑靴上部區(qū)域安裝加速度傳感器[4]。

航位推測技術(shù)的基本原理是基于當(dāng)前時(shí)刻某點(diǎn)的位置坐標(biāo)，通過對該點(diǎn)移動(dòng)方位和距離的測量，推算該點(diǎn)在下個(gè)時(shí)刻的位置坐標(biāo)。捷聯(lián)慣導(dǎo)裝置內(nèi)部主要包含三個(gè)線加速度器、三個(gè)速率陀螺以及微型計(jì)算機(jī)，配合使用軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確定位。刮板輸送機(jī)檢測原理如圖2所示。

圖2 刮板輸送機(jī)檢測原理

回采工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)，進(jìn)而將對測量結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響。為了避免此問題的出現(xiàn)，針對檢測得到的結(jié)果，需要利用系統(tǒng)中內(nèi)置的算法進(jìn)行傅里葉變換，在此基礎(chǔ)上去除振動(dòng)噪聲。

根據(jù)Rodrigues算法，可以推導(dǎo)計(jì)算某已知空間向量繞另外一個(gè)向量旋轉(zhuǎn)某角度后的向量?；赗odrigues算法即可基于檢測數(shù)據(jù)計(jì)算得到采煤機(jī)的姿態(tài)，進(jìn)而獲得刮板輸送機(jī)的姿態(tài)。將中部槽兩側(cè)中點(diǎn)部位作為節(jié)點(diǎn)，可以計(jì)算得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的具體信息?；诤轿煌茰y原理，在已知中部槽規(guī)格尺寸的基礎(chǔ)上，將其長度作為相鄰節(jié)點(diǎn)在水平方向上的步長；將厚度作為相鄰節(jié)點(diǎn)在豎直方向上的步長，將相鄰節(jié)點(diǎn)在水平方向上的偏角和垂直方向上的偏角作為方位角。根據(jù)加速度傳感器檢測到的信號，并配合使用分解模型，可以對中部槽結(jié)構(gòu)的間隔狀態(tài)進(jìn)行有效的計(jì)算，再配合使用航位推測原理即可識別刮板輸送機(jī)的機(jī)身狀態(tài)。

3 刮板輸送機(jī)直線度控制方法

本研究中基于PID控制技術(shù)對刮板輸送機(jī)的直線度進(jìn)行控制?？紤]到煤礦工作環(huán)境相對比較復(fù)雜，在對刮板輸送機(jī)的機(jī)身進(jìn)行矯直處理時(shí)，液壓缸內(nèi)的液壓油壓力和流量通常都是變量，并不是保持恒定的，所以無法使用恒定PID參數(shù)完成有關(guān)工作。為了提升機(jī)身的矯直效果，基于模糊算法對PID控制技術(shù)中的參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)整，基于此項(xiàng)技術(shù)對各個(gè)液壓缸內(nèi)部的累積液壓油流量進(jìn)行精確控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對應(yīng)機(jī)身位置的精準(zhǔn)控制，確保機(jī)身在一條直線上。刮板輸送機(jī)直線度控制過程如圖3所示。圖中，i-1、i、i+1等分別表示中部槽節(jié)點(diǎn)編號，Δyi-1、Δyi、Δyi+1等分別表示對應(yīng)節(jié)點(diǎn)需要調(diào)整的位移量。

圖3 刮板輸送機(jī)直線度控制過程

控制系統(tǒng)根據(jù)調(diào)整量下達(dá)控制指令，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)刮板輸送機(jī)機(jī)身到正確的位置上。此過程會(huì)不斷地對刮板輸送機(jī)直線度進(jìn)行檢測，并將結(jié)果反饋到控制器中，如此循環(huán)直到直線度達(dá)到要求為止。以上過程即為閉環(huán)控制，可以保證控制的精度?；赑ID技術(shù)的直線度控制原理如圖4所示。圖中，E表示流量，dE/dt是流量對時(shí)間的微分，表示不同時(shí)刻需要調(diào)整控制的流量大小；Δkp、Δki、Δkd分別表示基于模糊推理的比例、積分、微分系數(shù)變量；kp、ki、kd分別表示考慮模糊推理的比例、積分、微分系數(shù)。

圖4 基于PID技術(shù)的直線度控制原理

4 檢測方法的工程應(yīng)用研究

4.1 工程概況

將設(shè)計(jì)的煤礦回采工作面刮板輸送機(jī)直線度檢測方法部署到煤礦工程實(shí)踐中，并對其檢測效果進(jìn)行實(shí)踐測試。試驗(yàn)的工作面采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)的型號分別為MG900/2395-WD、ZY16000/23/43D、SGZ1250/3×1000，其中中間液壓支架的數(shù)量為141架，另外還使用有轉(zhuǎn)載機(jī)和破碎機(jī)，具體型號為SZZ1350/525和PLM4500。

4.2 直線度檢測精度對比

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的刮板輸送機(jī)PID控制技術(shù)直線度控制方法的精度，在回采工作面未對刮板輸送機(jī)進(jìn)行矯直和利用PID控制技術(shù)的方法對其直線度進(jìn)行控制的兩種情況進(jìn)行檢測，同時(shí)還使用了全站儀對刮板輸送機(jī)的平直度進(jìn)行檢測，將兩者獲得的水平方向結(jié)果和豎直方向結(jié)果進(jìn)行對比分析。檢測時(shí)以處于中間位置的75號支架為基準(zhǔn)，每間隔多個(gè)支架測量其與75號支架之間的水平和豎直方向的直線度偏差。兩種直線度檢測方法結(jié)果的對比情況如圖5所示。

圖5 兩種直線度檢測方法結(jié)果的對比

由圖5可知，兩種直線度檢測方法所得結(jié)果具有非常高的吻合度，兩者之間的最大偏差控制在了50 mm范圍以內(nèi)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的直線度檢測方法的正確性?？梢曰谠摍z測方法的結(jié)果對刮板輸送機(jī)進(jìn)行矯直處理，保障設(shè)備工作時(shí)的直線度。

為了對刮板輸送機(jī)直線度控制方法的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，在試驗(yàn)的前期不使用直線度控制系統(tǒng)，基于傳統(tǒng)的方法進(jìn)行生產(chǎn)。間隔一段時(shí)間以后，將直線度控制系統(tǒng)開啟，連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間以后，再次將直線度控制系統(tǒng)關(guān)閉，繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。整個(gè)過程中記錄刮板輸送機(jī)的直線度偏差，所得結(jié)果如圖6所示。圖中，前1～3小時(shí)和后8～10小時(shí)為未使用直線度控制系統(tǒng)，而中間的4～7小時(shí)為使用了直線度控制系統(tǒng)。從圖中數(shù)據(jù)可知，在使用刮板輸送機(jī)直線度控制系統(tǒng)前后，設(shè)備的直線度偏差分由600 mm降為300 mm左右，效果非常好。

圖6 直線度控制系統(tǒng)開啟前后的直線度偏差

5 結(jié)語

刮板輸送機(jī)直線度控制方法主要是將捷聯(lián)慣導(dǎo)裝置安裝在采煤機(jī)中，基于航位推測原理對設(shè)備的姿態(tài)進(jìn)行檢測并加以調(diào)控。對于檢測到的信號首先需要基于傅里葉變換將振動(dòng)噪聲去除，有效保障了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用基于模糊算法的PID控制參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方法，對刮板輸送機(jī)的機(jī)身姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，以提升機(jī)身的直線度?；谥本€度控制系統(tǒng)開啟前后，設(shè)備的直線度偏差對比情況可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以有效地對機(jī)身直線度進(jìn)行矯直。