綜采工作面刮板輸送機(jī)直線度測(cè)量方法與控制策略研究

刮板輸送機(jī)是采煤機(jī)的行走軌道，軌道直線度在采煤機(jī)協(xié)同作業(yè)中起著極其重要的作用。刮板輸送機(jī)軌道不平順會(huì)使采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)承受很大的切割阻力和運(yùn)行阻力。另外，軌道不平順或變形是造成安全事故的關(guān)鍵因素之一。因此，刮板輸送機(jī)的直線度控制具有重要 的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本項(xiàng)目嚴(yán)格按照時(shí)間表圍繞項(xiàng)目預(yù)定研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)進(jìn)行研究，并在相關(guān)方面進(jìn)行了擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)：礦井封閉環(huán)境下刮板輸送機(jī)直線度精確測(cè)量以及直線度控制策略。首先，運(yùn)用航位推算手段建立了刮板輸送機(jī)形態(tài)檢測(cè)模型，隨后針對(duì)強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境下SINS初始對(duì)準(zhǔn)算法性能下降的問(wèn)題，提出了高效、高精度的SINS初始對(duì)準(zhǔn)算法。其次，建立了SINS/WSN融合下的刮板輸送機(jī)直線度檢測(cè)狀態(tài)空間模型，采用無(wú)跡卡爾曼濾波算法對(duì)刮板輸送機(jī)的位姿進(jìn)行有效估計(jì)。針對(duì)超寬帶無(wú)線定位系統(tǒng)在復(fù)雜壞境中出現(xiàn)的定位數(shù)據(jù)丟失以及粗大誤差等導(dǎo)致SINS /UWB組合系統(tǒng)定位精度下降的問(wèn)題，提出了一種基于超寬帶定位系統(tǒng)容錯(cuò)判斷的組合定位方法，其中采用運(yùn)動(dòng)學(xué)約束以及容錯(cuò)定位的手段對(duì)累積誤差以及粗大誤差進(jìn)行補(bǔ)償。最后，研究了刮板輸送機(jī)和液壓之間的銷耳間隙和聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)推導(dǎo)了銷耳間隙和聯(lián)動(dòng)效應(yīng)的誤差補(bǔ)償模型。為了進(jìn)一步提高刮板輸送機(jī)的控制精度，采用模糊自適應(yīng)PID控制策略對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證刮板輸送機(jī)直線度控制實(shí)驗(yàn)的有效性。本項(xiàng)目成果將有助于井下綜采工作面自動(dòng)化的發(fā)展。本項(xiàng)目研究過(guò)程中共發(fā)表論文15篇（全部標(biāo)注本項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)U161010021），其中SCI收錄論文6篇，EI收錄論文5篇，會(huì)議論文2篇，中文核心論文2篇；申請(qǐng)發(fā)明專利12項(xiàng)，已獲授權(quán)2項(xiàng)；申請(qǐng)并授權(quán)軟件著作權(quán)2項(xiàng)；培養(yǎng)博士研究生4名，碩士研究生4名。

本項(xiàng)目以綜采工作面核心裝備—刮板輸送機(jī)為研究對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)綜采工作面無(wú)人化采礦為目標(biāo)，開(kāi)展綜采工作面刮板輸送機(jī)直線度測(cè)量方法及控制策略研究。利用非線性動(dòng)力學(xué)理論構(gòu)建采煤機(jī)動(dòng)力學(xué)模型及捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)方程，探尋復(fù)雜工況下的SINS振動(dòng)誤差補(bǔ)償策略，構(gòu)建采煤機(jī)姿態(tài)下刮板輸送機(jī)曲率解算模型；通過(guò)研究采礦機(jī)群運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，探尋綜采工作面超寬帶鏈?zhǔn)絻?yōu)化部署策略，構(gòu)建SINS/UWB采煤機(jī)組合定位系統(tǒng)，分析SINS與UWB異步數(shù)據(jù)傳輸特性，進(jìn)行組合定位系統(tǒng)異步數(shù)據(jù)融合模型構(gòu)建，建立采煤機(jī)位姿下刮板輸送機(jī)直線度解算策略；開(kāi)展液壓支架電液系統(tǒng)推溜控制策略及其液壓缸行程監(jiān)測(cè)方法研究，據(jù)此提出多截割循環(huán)下的刮板輸送機(jī)銷耳間隙誤差補(bǔ)償方法，搭建綜采“三機(jī)”協(xié)同定位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)直線度的精確控制。研究成果可為綜采工作面采礦機(jī)群協(xié)同自動(dòng)化提供理論支撐，同時(shí)可為同類封閉環(huán)境下移動(dòng)目標(biāo)協(xié)同定位與控制奠定理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

按支護(hù)與割煤、移架、推移輸送機(jī)三個(gè)主要工序的配合方式不同，綜采工作面有及時(shí)支護(hù)方式和滯后支護(hù)方式。

1.及時(shí)支護(hù)

采煤機(jī)割煤后，支架依次或分組隨機(jī)立即前移支護(hù)頂板，輸送機(jī)隨移架逐段移向煤壁，推移步距等于采煤機(jī)截深。這種支護(hù)方式，推移輸送機(jī)后，在支架底座前端與輸送機(jī)之間要富裕一個(gè)截深的寬度，工作空間大，有利于行人、運(yùn)料和通風(fēng)；但增大了工作面控頂寬度，不利于控制頂板。為此，有的綜采設(shè)備，其支架和輸送機(jī)采用插底式和半插底式配合方式。

插底式支架在前移時(shí)，將底座前段插入輸送機(jī)機(jī)槽下方，推移輸送機(jī)后，底座前端與機(jī)槽相接，取消了一個(gè)截深的寬度，適用于穩(wěn)定性差的頂板。但過(guò)風(fēng)斷面小，行人運(yùn)料不便，同時(shí)增加了機(jī)槽高度，不利于裝煤。為克服插底式裝煤困難的缺點(diǎn)，后又研制了半插底式支架，機(jī)槽向煤壁傾斜。

2.滯后支護(hù)。

割煤后輸送機(jī)首先逐段移向煤壁，支架隨輸送機(jī)前移，二者移動(dòng)步距相同。這種配合方式在支架底座前端和機(jī)槽之間沒(méi)有一個(gè)截深富裕量，比較能適應(yīng)周期壓力大及直接頂穩(wěn)定性好的頂板，但對(duì)直接頂穩(wěn)定性差的頂板適應(yīng)性差。在我國(guó)使用較少 。

上下端頭處的暴露面積大，時(shí)間長(zhǎng)，并且此處設(shè)有輸送機(jī)機(jī)頭或機(jī)尾，在下出口還搭接有轉(zhuǎn)載機(jī)，都要求有較大的空間，該處的頂板維護(hù)效果直接影響著安全生產(chǎn)和設(shè)備效能的發(fā)揮，為此必須選擇合適的支護(hù)方法。端頭支護(hù)方法，歸納起來(lái)有三種：一是用單體支柱與托梁支護(hù)；二是用單體液壓支柱與十字鉸接頂梁配合支護(hù)；三是用端頭液壓支架支護(hù)。

用單體支柱與托梁的支護(hù)方法。巷道用木棚支護(hù)，先在木梁下方沿走向架設(shè)三排金屬鉸接頂梁，一梁一柱，用單體液壓支柱支撐，在工作面前方挑二排，巷道上下幫各一排。在采空區(qū)處設(shè)有密集支柱，以便加強(qiáng)支護(hù)和擋矸。在端頭處和支架前設(shè)有三根工字鋼托梁，一端架在液壓支架前梁端的托座上，以維護(hù)輸送機(jī)的搭接處。這種方法基本控制了端頭處的頂板，但工作量較大，木板梁不能回收，坑木消耗大。

用單體液壓支柱配十字頂梁的支護(hù)方法。上下兩巷斷面較大，工作面超前10-20m用其替換平巷內(nèi)的拱形支護(hù)，如果頂板破碎，在替換支護(hù)時(shí)，需鋪設(shè)金屬網(wǎng)。十字頂梁前后左右都相互鉸接，形成網(wǎng)狀支護(hù)系統(tǒng)，整體性好，支柱受力均勻，倒換支柱方便，不易失穩(wěn)，在支護(hù)期間，沒(méi)有反復(fù)支撐頂板，頂板完整性較好。在輸送機(jī)機(jī)頭上的鉸接頂梁下部設(shè)兩對(duì)木托梁加強(qiáng)支護(hù)，木梁在移機(jī)頭時(shí)兩梁交替前移，平時(shí)一梁三柱，移機(jī)頭時(shí)一梁二柱，以便保證移機(jī)頭時(shí)有較大的空間。顯然，這種端頭支護(hù)方法比前一種只用托梁的方法較為安全可靠。缺點(diǎn)是支護(hù)和撤除全靠人工作業(yè)，工作量較大，倒換支柱時(shí)間長(zhǎng)。但此法裝備簡(jiǎn)單，操作方便，使用可靠，安全性能好，對(duì)工作面地質(zhì)變化的適應(yīng)性強(qiáng)，如遇工作面長(zhǎng)度稍有變化，不會(huì)出現(xiàn)擠架或空架現(xiàn)象，仍是一種效果較好、較實(shí)用的端頭支護(hù)方法。

回采巷道支護(hù)形式對(duì)端頭支護(hù)也有較大的影響。如工作面運(yùn)輸平巷頂板用錨桿、鋼板梁和塑料網(wǎng)，兩幫用聚氨脂木錨桿或砂漿錨桿配以托板和竹笆，形成一種錨桿、錨梁、梁托網(wǎng)、網(wǎng)護(hù)頂?shù)闹ёo(hù)形式，可大大簡(jiǎn)化工作面下出口的維護(hù)，改善端頭安全作業(yè)條件，給工作面安裝使用端頭支架創(chuàng)造良好條件 。