掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定系統(tǒng)的應(yīng)用研究

趙 鑫

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000）

引言

隨著各煤炭生產(chǎn)企業(yè)井下綜采作業(yè)設(shè)備自動化水平的不斷提高，限制井下綜采作業(yè)效率進(jìn)一步提升的瓶頸已經(jīng)轉(zhuǎn)換為井下掘進(jìn)作業(yè)效率不能滿足綜采作業(yè)效率的要求。目前井下掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)時主要是依靠人工對截割狀態(tài)進(jìn)行判斷，并不斷調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的截割作業(yè)參數(shù)，但由于煤礦井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，給人工判斷帶來了極大的難度，同時工人在調(diào)整過程中，精神高度集中，極易產(chǎn)生疲勞，給井下掘進(jìn)作業(yè)帶來了極大的安全隱患。因此為了適應(yīng)井下掘進(jìn)作業(yè)自動化的需求，本文提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對作用在截割機(jī)構(gòu)上的負(fù)載進(jìn)行精確判斷，為實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動化掘進(jìn)作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

1 負(fù)載判定系統(tǒng)工作原理及控制流程

該基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定系統(tǒng)利用設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)及控制液壓缸處的壓力監(jiān)測設(shè)備對掘進(jìn)作業(yè)過程中的電機(jī)、執(zhí)行油缸壓力進(jìn)行實時監(jiān)測，對掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過程中的截割轉(zhuǎn)速、驅(qū)動電機(jī)的工作電流、掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度、執(zhí)行油缸的工作壓力和懸臂的工作角度進(jìn)行實時監(jiān)測，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[1]對所監(jiān)控到的信息進(jìn)行融合校正處理，使監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)據(jù)信息信號，根據(jù)預(yù)設(shè)的運(yùn)算邏輯完成對掘進(jìn)機(jī)的截割載荷識別，對截割作業(yè)區(qū)域的巖層的硬度和截割阻力進(jìn)行精確判斷，將運(yùn)算結(jié)果直接顯示到操作終端處，同時自動對采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使其截割轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度根據(jù)巖層的截割阻力進(jìn)行靈活調(diào)整，最終實現(xiàn)提高掘進(jìn)作業(yè)效率，提高掘進(jìn)機(jī)的使用壽命，該掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定系統(tǒng)的控制流程如圖1所示[2]。

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合的載荷信息識別原理

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定流程示意圖

由于傳統(tǒng)的載荷識別方法僅僅是對各個傳感器設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，只有當(dāng)各個監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足一定條件時系統(tǒng)才判斷截割機(jī)構(gòu)處在某一個載荷范圍內(nèi)，但這種方案識別率低下、數(shù)據(jù)處理周期長，隨機(jī)性大，無法滿足自動化要求的高精確性要求[3]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)是指將各個監(jiān)測設(shè)備所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一的匯總分析，對整個監(jiān)測體系內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動分析，根據(jù)各數(shù)據(jù)的聯(lián)動分析結(jié)果確定作用在截割滾筒上的截割阻力，該方法具有數(shù)據(jù)分析速度快，精度高的優(yōu)點，能夠滿足掘進(jìn)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的負(fù)載判定要求。

同時該系統(tǒng)根據(jù)所分析出的截割阻力的大小，對掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，滿足在不同截割阻力下高速、安全截割作業(yè)要求，能夠極大的降低掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中的磨損，提高使用壽命，使掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時能夠以最經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行截割作業(yè)，該基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合的載荷信息識別原理如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)傳感器位置示意圖

該掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定系統(tǒng)的核心在于對掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)信息判斷的準(zhǔn)確性，因此各數(shù)據(jù)傳感器的位置設(shè)置和精確性直接關(guān)系到該判定系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，經(jīng)過多次試驗驗證，最終確定掘進(jìn)機(jī)上各傳感器的安裝位置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)融合原理

圖3 掘進(jìn)機(jī)傳感器布置結(jié)構(gòu)示意圖

掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中當(dāng)截割機(jī)構(gòu)上的截割阻力發(fā)生變化時，截割機(jī)構(gòu)的振動將隨著與截割滾筒距離的增加而逐漸降低，并且由于截割滾筒在不斷地旋轉(zhuǎn)，因此為了避免傳感器的線束出現(xiàn)纏繞，最初采用了無線傳感器，但是由于煤礦井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致信號傳輸極不穩(wěn)定，無法滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，因此經(jīng)過多次試驗驗證后本文選擇了一種新的滑環(huán)傳感器[4]，該傳感器結(jié)構(gòu)與電機(jī)結(jié)構(gòu)類似，由定子和轉(zhuǎn)子共同構(gòu)成，能夠在確保轉(zhuǎn)子部分跟隨掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的條件下，確保后側(cè)的連接線部分的穩(wěn)定性，從而確保了監(jiān)測信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

在設(shè)置壓力傳感器時，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工作時各執(zhí)行油缸的工作特性，選擇將傳感器設(shè)置在回轉(zhuǎn)執(zhí)行油缸和升降執(zhí)行油缸處各設(shè)置一個壓力傳感器，滿足對執(zhí)行油缸工作過程中壓力的監(jiān)控要求。

4 傳感器選型要求

傳感器是用于對掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，滿足監(jiān)測需求的一種設(shè)備，由于掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境較為惡劣，因此要求傳感器在滿足監(jiān)測精度的情況下具有極高的使用可靠性。

振動傳感器，主要是為了對截割作業(yè)過程中截割機(jī)構(gòu)的振動情況進(jìn)行監(jiān)測，用于判斷傳動系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，一般分為磁電式和壓電式，經(jīng)過多次試驗對比后，本文選擇了KGS18式壓電式振動傳感器，具有較高的固定頻率，電荷靈敏度高，能夠避免截割作業(yè)過程中截割載荷突變導(dǎo)致的誤報警狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。

電流傳感器，主要是對掘進(jìn)過程中驅(qū)動電機(jī)的截割電流進(jìn)行監(jiān)測，從而根據(jù)電流變化情況確定截割負(fù)載的變化情況，要求靈敏度高，本文選擇了SD300EKADV型電流傳感器[5]，具有測量精度高，能適應(yīng)防爆環(huán)境的特點，其結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。

壓力傳感器，主要用于對執(zhí)行油缸的工作壓力進(jìn)行監(jiān)測，因此本文選擇了GPD60（A）礦用本安型壓力傳感器，能夠?qū)⒁簤簜鞲衅鹘?jīng)過電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號，監(jiān)測精度能夠達(dá)到0.1 MPa，其結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

針對煤礦井下掘進(jìn)機(jī)綜采作業(yè)過程中存在的截割效率低下、可靠性差的缺陷，本文在長期工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的掘進(jìn)機(jī)截割負(fù)載判定系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)融合原理，對各監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，自動獲取截割作業(yè)過程中的截割負(fù)載并對掘進(jìn)機(jī)的截割參數(shù)進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)，滿足掘進(jìn)機(jī)截割自動化和經(jīng)濟(jì)性的要求，結(jié)果表明：

1）該方案利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對所監(jiān)控到的信息進(jìn)行融合校正處理，根據(jù)預(yù)設(shè)的運(yùn)算邏輯完成對掘進(jìn)機(jī)的截割載荷識別，同時自動對采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使其截割轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度根據(jù)巖層的截割阻力進(jìn)行靈活調(diào)整，最終實現(xiàn)提高掘進(jìn)作業(yè)效率，提高掘進(jìn)機(jī)的使用壽命。

2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)是指將各個監(jiān)測設(shè)備所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)一的匯總分析，對整個監(jiān)測體系內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動分析，根據(jù)各數(shù)據(jù)的聯(lián)動分析結(jié)果確定作用在截割滾筒上的截割阻力，具有數(shù)據(jù)分析速度快，精度高的優(yōu)點。