孫月華，曹 賀

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

采煤機(jī)記憶截割滾筒高度的檢測(cè)模型

孫月華，曹 賀

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

采煤機(jī)滾筒高度的可靠檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)記憶截割控制的關(guān)鍵。依據(jù)采煤機(jī)滾筒調(diào)高機(jī)構(gòu)工作原理，建立基于搖臂角位移和調(diào)高油缸線位移兩種傳感器的檢測(cè)轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型，獲得滾筒高度與傳感器檢測(cè)量和傳感器精度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，分析比較了兩種檢測(cè)誤差。結(jié)果表明：在高度控制誤差相同的條件下，油缸行程誤差檢測(cè)方法在線性度和精度保證上均優(yōu)于角度檢測(cè)誤差的方法。該研究可為采煤機(jī)記憶程控截割中傳感器類型的選擇與傳感器參數(shù)的轉(zhuǎn)換提供參考依據(jù)。

采煤機(jī)；滾筒；檢測(cè)精度；數(shù)學(xué)模型

采煤機(jī)滾筒調(diào)高是采煤機(jī)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程控制和在線監(jiān)測(cè)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)之一，目前，滾筒記憶程控截割是較為行之有效的方法。記憶控制截割是先人工按工作面起伏的實(shí)際工況，采煤機(jī)沿工作面預(yù)先示范一個(gè)工作循環(huán)，控制系統(tǒng)對(duì)所作示范的工作參數(shù)進(jìn)行采樣，其中包括采煤機(jī)工作位置、滾筒調(diào)高位置、采煤機(jī)行走速度、采煤機(jī)的工作姿態(tài)等一系列的參數(shù)整組記錄到程序計(jì)算機(jī)里，在之后的有限截割循環(huán)過(guò)程中，采煤機(jī)根據(jù)程序計(jì)算機(jī)之前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制截割，由于考慮程序截割的截割精度，要求重復(fù)的截割工作循環(huán)不能超過(guò)4～5個(gè)，要在4～5個(gè)自動(dòng)截割循環(huán)后，重新進(jìn)行人工采樣，以對(duì)記憶程控截割的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行修正[1-3]。采煤機(jī)滾筒高度、采煤機(jī)移動(dòng)位置、采煤機(jī)姿態(tài)等參數(shù)的有效檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)可視化和記憶截割的前提。劉春生[4-5]研究了滾筒采煤機(jī)記憶技術(shù)，給出位移采樣和指令控制的方法，建立了程控時(shí)檢測(cè)傳感器的數(shù)學(xué)模型。筆者根據(jù)采煤機(jī)滾筒調(diào)高機(jī)構(gòu)的原理，著重研究滾筒高度幾何參數(shù)的檢測(cè)方法、數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換模型建立及其精度檢測(cè)。

1 滾筒調(diào)高原理

采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)原理如圖1所示，根據(jù)檢測(cè)到的采煤機(jī)移動(dòng)位置和滾筒高度信息，對(duì)采煤機(jī)工作姿態(tài)和牽引速度等因素進(jìn)行綜合，給出指令信號(hào)，利用調(diào)控電磁換向閥的通斷狀態(tài)控制油缸活塞桿的伸縮，使搖臂上下擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滾筒記憶程控調(diào)高。圖1中，O1為搖臂上下擺動(dòng)的鉸接點(diǎn)，O2為油缸與機(jī)體的鉸接點(diǎn)，H0為搖臂擺動(dòng)鉸接點(diǎn)基準(zhǔn)高度，H1、H2為搖臂向下、上擺動(dòng)最大高度(α1、α2相對(duì)應(yīng)的搖臂擺角)，H為搖臂擺動(dòng)高度(α對(duì)應(yīng)的搖臂擺角)，S、Smin、Smax為油缸任意、最小、最大長(zhǎng)度(φmin+α、φmin、φmin+α1+α2相對(duì)應(yīng)的夾角)，L、R為搖臂和擺臂的長(zhǎng)度，L0為O1與O2之間的距離。

圖1 采煤機(jī)調(diào)高原理Fig.1 Principle of shearer lift structure

2 滾筒高度檢測(cè)模型

2.1 滾筒高度與搖臂擺角的關(guān)系

采用角位移傳感器檢測(cè)O1回轉(zhuǎn)角度，由圖1所示，在任意擺角時(shí)，可得滾筒的高度[6-8]：

H=H0+Lsin(α-α1) ，

(1)

式中：α——搖臂擺動(dòng)范圍，α=0～(α1+α2)。

角位移傳感器檢測(cè)靈敏度：

(2)

當(dāng)α=α1時(shí)，滾筒搖臂處于水平位置時(shí)，位移H對(duì)角度α的變化率：

當(dāng)α=0或α=α2時(shí)，滾筒搖臂處于上下極限高度時(shí)，位移H對(duì)角度α的變化率：

當(dāng)滾筒搖臂處于水平中心位置時(shí)，位移H對(duì)角度α的變化率最大。因此，角位移傳感器的精度取其中心位置時(shí)的精度，能夠滿足整個(gè)擺動(dòng)行程的檢測(cè)精度要求。

2.2 滾筒高度與油缸行程的關(guān)系

采用線位移傳感器來(lái)檢測(cè)油缸的行程，由圖1所示，在任意位置時(shí)，可得滾筒的高度。對(duì)式(1)進(jìn)行三角函數(shù)展開(kāi)：

H=H0+L[sinαcosα1-cosαsinα1)，

(3)

式中：φ=α+φmin。

整理可得：

H=H0+L[sinφ·cos(φmin+α1)-cosφ· sin(φmin+α1)]，

由余弦定理：

(4)

式中：S=[SminSmax]=[Smin(S0+Smin)]。

采用線位移傳感器檢測(cè)油缸行程時(shí)，線位移傳感器檢測(cè)的靈敏度：

(5)

采煤機(jī)滾筒高度隨著油缸行程的增加而非線性變化，以MG2X80/360-BWD采煤機(jī)為例，H0=568 mm，L=2 240 mm,R=350 mm,L0=732 mm,Smin=624 mm,Smax=761 mm,φmin=23.74°,α1=4.87°,α2=17.87°。

則有：

油缸處于最小行程時(shí)，滾筒高度對(duì)油缸行程的變化率最大，油缸處于最大行程時(shí)，滾筒高度對(duì)油缸行程的變化率最小，為了使行程傳感器在整個(gè)量程范圍內(nèi)滿足檢測(cè)精度的要求，以油缸處于最小行程時(shí)來(lái)選定傳感器的精度。

3 兩種檢測(cè)方法的誤差分析

滾筒高度H在任意位置時(shí)的控制誤差為ΔH，考察角位移傳感器的允許誤差Δα和線位移傳感器檢測(cè)油缸行程的允許誤差ΔS的大小。由式(1)得出ΔH與Δα的關(guān)系[9-10]：

ΔH=[H0+Lsin(α+Δα-α1)]-

[H0+Lsin(α-α1)]，

(6)

角位移允許誤差：

(7)

由余弦定理可得ΔH與ΔS的關(guān)系：

(8)

(9)

滾筒高度控制誤差ΔH與旋轉(zhuǎn)角位移的允許誤差ΔH之間的變化曲線如圖2所示，ΔH和調(diào)高油缸行程的允許誤差ΔS之間的變化曲線如圖3所示。從兩個(gè)曲線中可以看出在給定的滾ΔH得條件下，隨著滾筒高度H的增加，旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)誤差和油缸行程檢測(cè)誤差也逐漸增大。在高度控制誤差相同的條件下，對(duì)兩種檢測(cè)方法的比較，從圖3中可以看出，油缸行程誤差檢測(cè)方法在線性度和精度保證上均好于角度檢測(cè)誤差的方法。

圖2 ΔH與Δα變化曲線Fig.2 Change curve of ΔHandΔα

圖3 ΔH與ΔS變化曲線Fig.3 Change curve of ΔHandΔS

4 擺動(dòng)速度與油缸伸縮速度的關(guān)系

采用速度傳感器檢測(cè)油缸伸縮速度vy，由圖1所示，在任意擺角時(shí)，可得滾筒的擺動(dòng)速度(上擺與下擺情況相似，以上擺為例)

(10)

式中：vg——滾筒上擺速度；

γ——擺臂與油缸夾角。

由正弦、余弦定理得：

(11)

調(diào)高油缸在伸長(zhǎng)和縮回的過(guò)程中，其伸縮速度vy可看成是常數(shù)，則油缸伸縮速度與滾筒擺動(dòng)速度的關(guān)系：

(12)

(13)

擺動(dòng)速度比油缸伸縮速度隨擺角變化關(guān)系和擺動(dòng)速度與搖臂擺角的變化率隨擺角變化，見(jiàn)圖4和5。

圖4 擺動(dòng)速度比油缸伸縮速度隨擺角變化關(guān)系Fig.4 Relation between ratio of swing velocity to cylinder stretch velocity and swing angle

由圖4和圖5可見(jiàn)，在vy不變的條件下，可以看出在搖臂擺動(dòng)范圍內(nèi)，隨著搖臂擺角α的增大，滾筒速度與油缸伸縮速度之比先減小后增大、滾筒速度相對(duì)與搖臂擺角α的變化率隨搖臂擺角的增大而減小。

圖5 擺動(dòng)速度與搖臂擺角的變化率隨擺角變化Fig.5 Relation between change rate of drum velocity to swing angle and swing angle

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)采煤機(jī)滾筒調(diào)高機(jī)構(gòu)工作和作業(yè)原理的分析，建立了采用角位移和油缸行程傳感器進(jìn)行檢測(cè)滾筒高度的數(shù)學(xué)模型，為選用傳感器的靈敏度、誤差精度提供了較準(zhǔn)確的計(jì)算方法。對(duì)兩種檢測(cè)方法的滾筒高度控制偏差與傳感器偏差之間關(guān)系進(jìn)行了分析，得出精確的函數(shù)關(guān)系，為采煤機(jī)記憶程控截割、運(yùn)行參數(shù)的可視化提供參數(shù)檢測(cè)和計(jì)算的方法。

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(編校 李德根)

Height detection model of shearer memory cutting drum

SunYuehua,CaoHe

(School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

This paper is motivated by the insight that the reliable detection of coal mining machine drum height holds the key to realizing coal mining machine cutting control memory.The study building on the working mechanism behind the height regulation of shearer drums works on developing the detection conversion mathematical model based on two types of sensors: radial angular displacement and line displacement of height regulation oil cylinder; dentifying the relationship between roller height and mathematical amount of sensors and sensor precision; and analyzing and comparing two kinds of detection errors.The results show that given the same height control errors,the oil cylinder stroke error detection method boast an advantage over an angle detection error method in terms of linearity and accuracy.The study may provide references for the transformation of sensor parameters and the selection of sensor types of coal mining machine memory program-controlled cutting.

coal mining machine; drum; precision; mathematical model

2017-01-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274091)

孫月華(1965-)，女，黑龍江省哈爾濱人，教授，研究方向：礦山機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能與故障診斷，E-mail:1580774753@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.004

TD421.61

2095-7262(2017)02-0114-04

A