煤礦工作面采煤機虛擬仿真實驗教學研究

曹連民, 孫士嬌, 李建楠, 呂玉廷

(山東科技大學 機械電子工程學院, 山東 青島 266590)

在現代教學中,實驗教學是理論聯系實際的重要組成部分,重視和加強實驗教學研究在提高學生主觀能動性和創新能力等方面具有非常積極的意義。目前的實驗教學中的各種儀器和設備昂貴、體積大,功能單一、固定,實驗教學方法和內容也存在問題,不能滿足教學質量的要求[1-2]。

近年來隨著煤礦技術的快速發展,大型煤機裝備在煤礦開采中得到越來越多的應用,但教學實驗室卻沒有進行大型采煤機性能實驗的條件,而煤礦安全生產責任重大,生產礦井不便接受在校學生到煤礦井下采煤工作面進行現場學習和實驗,學生無法接觸現代化礦井真實或高度仿真的大采高工作面生產場景,限制了學生對采煤機和液壓支架等大型設備進行學習和實驗。同時,現階段礦山虛擬顯示仿真系統,多數為工業生產系統的影音信息顯示,屬于無交互操作、非沉浸式的礦山虛擬顯示仿真系統,不能滿足學生對三維沉浸、交互式體驗的礦山虛擬現實仿真需求。隨著虛擬仿真技術的迅速發展,國內外多所高校在以虛擬仿真為主要特色的教學方法和人才培養模式革新等方面取得了顯著成績,但針對煤礦工作面采煤機的虛擬仿真實驗教學卻非常少見[3-6]。

針對上述實驗教學中存在的問題,本文進行了基于虛擬仿真技術的煤礦工作面采煤機的實驗教學研究。

1 采煤機虛擬仿真實驗教學整體實施過程

煤礦工作面采煤機虛擬仿真實驗系統是以大采高工作面為背景,根據工作面采高4.1～6.1 m,采煤機選用滾筒直徑為3 000 mm的雙滾筒；考慮工作面最小采高以及支架頂梁厚度,機面高度應小于3 000 mm；根據煤礦煤層賦存條件及生產能力要求,采煤機型號采用MG900/2245-GWD,其三維模型如圖1所示。

圖1 采煤機三維模型

基于虛擬仿真技術的煤礦工作面采煤機實驗系統，結合目前虛擬仿真實驗所具有的功能和課程教學要求,煤礦工作面采煤機虛擬仿真實驗完整實施過程如圖2所示。

圖2 煤礦工作面采煤機虛擬仿真實驗實施過程

2 采煤機結構實驗教學

通過三維仿真及虛擬現實技術動態模式演示MG900/2245-GWD采煤機截割部結構、傳動系統和牽引部結構以及電控裝置布置,學生通過交互操作,熟識并掌握采煤機的結構和組成[7-9]。

(1) 交互式操作虛擬仿真實驗系統動態演示MG900/2245-GWD采煤機截割部結構及傳動系統,進行真實展現。交互式操作界面如圖3所示,通過鼠標點擊左下角交互面板的“截割部”,系統會將采用三維虛擬樣機技術做成的搖臂、連接螺栓、方軸、減速裝置及行星齒輪傳動系統等截割部結構動態演示出來。

圖3 采煤機截割部動態展示交互式操作界面

(2) 交互式操作虛擬仿真實驗系統動態演示MG900/2245-GWD采煤機牽引部結構及傳動系統和電控裝置,掌握采煤機的結構和性能特點。牽引部交互式操作界面上可通過鼠標點擊左下角交互面板的“牽引”,系統會將采用三維虛擬樣機技術做成的減速裝置、傳動軸、齒輪、齒軌輪和連接裝置等牽引部結構動態演示出來。

3 操作采煤機實驗教學

首先,根據采煤機操作規程,在滾筒式采煤機控制器面板通過人機交互的形式對采煤機進行正向和負向牽引操作。如圖4所示,通過鼠標點擊左下角采煤機控制面板的 “左牽”和“右牽”,在采煤工作面,采煤機會沿著刮板輸送機槽幫上的銷排軌道進行左右調動行走。

圖4 采煤機左右牽引交互式操作界面

然后,通過交互方式改變牽引速度、截割滾筒高度、滾筒轉速等參數,體驗并練習根據不同工況需要,調整采煤機牽引速度、設置截割滾筒高度及轉速等操作,掌握采煤機的性能特點。具體操作如下。

(1) 交互式操作采煤機面板調整牽引速度參數的界面中可通過鼠標點擊左下角采煤機控制面板的“左牽”和“右牽”,輸入速度參數,采煤機會根據參數設定值進行左右調動行走。

(2) 交互式操作采煤機上下調整滾筒高度的界面

中可通過鼠標點擊左下角采煤機控制面板的 “左上升”和“左下降”,采煤機左滾筒就會根據需要上下調整滾筒高度。同樣,操作控制面板的“右上升”和“右下降”,采煤機右滾筒就會上下調整滾筒高度。

(3) 交互式操作采煤機調整滾筒轉速的界面如圖5所示,通過鼠標點擊左下角采煤機控制面板的“左滾筒”,輸入左滾筒轉速參數值,參數值設定范圍在20～30 r/min內,采煤機左滾筒轉速就會根據設定參數的改變而改變。

4 采煤工藝流程組織循環實驗教學

以割煤工序為核心,在工作面端部,按照割煤、移架和推移刮板輸送機的順序組織正規循環進行斜切進刀采煤的操作。旨在模擬采煤工作面采煤工藝、割煤方法和斜切進刀工藝流程,使學生掌握采煤機與液壓支架及刮板輸送機的配套關系[10-15]。

(1) 操作虛擬仿真實驗系統的采煤機和液壓支架面板,按照設計要求模擬進行長壁采煤工作面的端部斜切進刀工藝實驗。多人協同采煤機端部斜切進刀交互式操作界面如圖6所示。

圖6 多人協同采煤機端部斜切進刀交互式操作界面

一名學生負責在采煤機下行正常割煤時,操作采煤左滾筒,將滾筒調至最高點截割頂部煤,右滾筒調至最低點截割底部煤,另一名學生在離左滾筒約35 m處操作液壓支架面板逐段移動刮板輸送機。當采煤機割到運輸巷處時,操作采煤機的學生將左滾筒逐漸下降,以截割底部殘留煤,操作液壓支架的學生將輸送機移成蛇彎形。當操作采煤機的學生將右滾筒升到頂部,開始上行斜切,斜切長度約73 m時,操作液壓支架的學生將輸送機移直。當操作采煤機的學生將右滾筒下降割煤,同時將左滾筒上升開始下行斜切直到運輸巷時,將滾筒位置上下對調,然后快速移過斜切長度開始上行正常割煤,隨即操作液壓支架的學生移動下部輸送機,直到回風巷。

(2) 根據長壁回采工作面的采煤工藝、落煤方式和推溜方式,操作采煤工作面滾筒式采煤機,進行正常割煤實驗模擬。多人協同采煤機進行正常割煤交互式操作界面中，在斜切進刀完成后,以多人協同操作的模式操作模擬仿真實驗系統,首先將系統切入到采煤工藝中,操作采煤機的學生根據需要設置滾筒高度和牽引速度,進行采煤機正常割煤操作,并在切割過程中進行牽引速度和滾筒高度的調整。

(3) 通過觀察采煤工作面采煤機割煤情況,多人協同操作液壓支架電液控制系統的控制器面板,在采煤機前方收起兩級護幫板,在采煤機割煤后部對多臺液壓支架依次進行降架100 mm操作。

(4) 多人協同操作液壓支架的控制器面板,根據工作面采煤情況進行多臺液壓支架的依次移架操作,移動支架距離與截深相同,為800 mm。

(5) 多人協同操作液壓支架的控制器面板,進行多臺液壓支架的依次升架操作,升架距離約為100 mm,并將兩級護幫板伸出,護住煤壁。

(6) 多人協同操作液壓支架的控制器面板,進行推移刮板輸送機操作。推移距離為0.8 m,推移后的彎曲段不得小于35 m,溜子最大水平彎曲1°,垂直彎曲不超過3°。

5 跟機自動化割煤實驗教學

根據礦井采煤工作面自動化采煤規程,依據煤(巖)硬度和采煤機集中監測控制系統參數，調整采煤機牽引速度和截割速度,操作虛擬仿真實驗系統,實現采煤機和液壓支架聯動,進行跟機自動化割煤實驗。

三角區割煤工藝一個循環周期有兩個端頭的三角煤區域,兩個區域各個階段的割煤工藝基本相同。在第1階段,采煤機自工作面中間段向機頭方向割煤,按照先推溜后移架模式進行推溜和移架操作,直至采煤機到達機頭。在第2階段,采煤機開始向機尾方向行走,不割煤,一直到15號支架的彎曲段后開始割煤,在后面的滾筒離開15—17號支架后,依次執行跟機自動化推溜和跟機自動化移架操作,直至所有支架移架到位。在第3階段,采煤機向機頭方向行走,不割煤,目的是在下一階段觸發支架的跟機自動化移架操作。采煤機到達機頭,此階段結束。在第4階段,采煤機開始向機尾方向行走,不割煤,但是后部支架依次執行跟機自動化推溜操作和跟機自動化移架操作,一直到30號支架后開始割煤。以上四個階段如圖7所示,自動跟機割煤操作模擬界面如圖8所示。

圖7 采煤機自動跟機割煤過程

圖8 自動跟機割煤操作模擬界面

6 實驗教學效果

(1) 教學理念突破。采煤機虛擬仿真實驗解決了學生不能身臨其境學習實踐的問題,還為學生提供了剖析采煤機內部結構、親自操作的機會,減少了高耗能實驗設備投入,節省了成本,將課本抽象的知識真實化、形象化,提高了學生專業興趣和實踐能力。

(2) 教學內容與實際聯系緊密。采煤機虛擬仿真實驗系統可以完成煤礦工作面采煤機與液壓支架等設備結構、安裝、配套以及參數匹配對生產過程的影響等多項教學內容,特別是針對學生不能到實際生產采煤工作面的矛盾,借助虛擬仿真實驗切身體驗采煤工作面采煤機的操作和采煤工藝實景,使學生有身歷其境的沉浸感。

(3) 系統穩定、開放運行。采煤機虛擬仿真實驗系統不僅能夠單機穩定可靠運行,并可置于基于Internet開放教學管理平臺上,供不同校區、不同專業的學生共享使用。系統有完善的加密機制,具有看門狗功能,可進行日志管理、數據備份、系統監控,保障網絡及信息安全。

(4) 評價體系不斷完善和優化。采煤機虛擬仿真實驗系統能夠對參加實驗學生的全過程進行記錄,并能夠隨時進行實驗指導,對于學生的預習效果、實驗步驟以及實驗成績都具備完善的評價標準,提高了評價的公正性,為指導教師對實驗進行優化和完善提供了參考。

7 結語

采煤機虛擬仿真實驗系統以大采高工作面為背景,通過采煤機虛擬仿真實驗的整體實施過程,進行采煤機結構、采煤機操作、采煤工藝流程組織循環和跟機自動化割煤模擬教學。采煤機實驗系統采用3D和VR虛擬現實技術,突破了時間和空間上的限制,為學生逼真展現采煤機等機電設備的內部結構、工作原理與性能特點,使學生有細膩的現場沉浸感,彌補了學生不能到工作面現場操作實際設備的缺憾。同時調動了學生進行實驗的積極性和主動性,使學生在掌握基礎知識的同時,自主設計實驗和操作,解決實際操作中的問題,增強了學生的創新能力。目前虛擬仿真實驗在校內各學院中得到推廣,在提高教學水平、整合教學資源、激發學生學習興趣方面的作用獲得廣泛認可。