掘进机自动化（共4篇）
掘进机自动化 篇1
0 引言
回采工作面的快速推进, 要求掘进机械智能化和自动化不断完善, 其目的在于达到更高的巷道掘进速度, 同时降低掘进费用及不断提高安全程度, 改善作业环境, 降低人工劳动。由于国产成套设备的自动化程度不高, 仍处于较低水平, 掘进效率底, 人工劳动强度大。在新的煤炭市场要求下, 为做好矿井采掘衔接合理, 提高综合工效, 采用自动化的截割技术, 确保为回采提前做好准备。
1 掘进机自动化系统组成
为实现掘进机的自动截割, 采用嵌入式工业控制计算机与可编程控制器PLC (可编程逻辑控制器) 相结合的数据收集和处理模式。嵌入式工业控制计算机采用研华TPC-1070, 该工控机的CPU (可编程逻辑控制器) 为Celeron M (处理器) (1.0 GHz) , 固态电子式硬盘, 具有2个RS-232、1个RS-485串行接口及2个以太网接口。PLC采用松下电工FPΣ型可编程控制器, 该控制器采用模块化扩展方式, CPU采用32位精简指令处理器, 指令丰富。具体分工为:1块FPG-C32T2CPU模块, 带有16数字输入/16数字输出, 程序容量为32 K;2块FPG-XY64D2T数字量扩展模块, 有32数字输入/32数字输出, 完成遥控输入、操作箱信号、各电机、电磁阀的输出控制等;3块FPG-A80模拟量输入模块, 具有8路模拟量输入, 采集精度12位, 完成各电机的电流及电压漏电、过流、接地保护的检测, 液压系统的 (油缸行程、机身俯仰角、侧倾角、地磁偏角) 检测。
为实现巷道断面自动截割, 控制阀采用比例电液阀组, 并在油缸内安装滑动式直线位移传感器, 在电控箱里安装二维倾角传感器和三维电子罗盘。通过计算机检测、数据处理技术、PLC编程技术及电液控制技术等, 使掘进机具备了定位自动截割、姿态调整、煤矸初步识别及掘进机自动化监控等功能。
2 掘进机的技术分析
2.1 掘进机断面自动截割技术
安装在回转油缸、升降油缸、伸缩油缸、铲板油缸、稳定油缸的伸缩量得出传感器位移量的变化值, 设定切割头的中心点, 建立平面的直角坐标 (X, Y) , 如图1所示。由 (X, Y) 建立的坐标与设定截割断面的坐标信息 (X0, Y0) 。以截割矩形断面为例, 在进行截割时, 计算机按照PLC提供的程序进行截割控制。其顺序为:系统启动后, 设定所要截割断面的曲线信息图 (矩形断面曲线为例) 。截割断面形状就是掘进机在选择了所要掘进的断面设定曲线后, 计算机自动将矩形断面数据集合 (X0, Y0) 调用, 确定了截割头所截割的边界, 截割断面形状信息被提取到程序系统中, 截割头将沿着图1中左下角A位置开始向右做水平摆动, 截割头坐标点 (X, Y) 中X值变化, Y值保持不变化。当截割头到达右下角B点附近时, 回转油缸在缩小流量的控制下到达B点后, 升降油缸上升设定值, 通过对流量的控制, 升降油缸上升到设定的距离时停止上升, Y值上升到设定的距离时, 截割头移动到位置C, 回转油缸的左右两油缸电磁阀反向导通, 回转油缸向左水平摆动, 此时X值连续变化变小, Y值保持不变, 当 (X, Y) 逐渐靠近D点时, 回转油缸在缩小流量的控制下到达D点后, 升降油缸上行电磁阀导通, 通过系统对其实施的流量控制, 升降油缸上行1个设定距离后停止, Y值向上增加一个设定距离后停止变化, 按照设定程序循环, 当截割头截割到位置E时 (E终点) , 一个截割断面就截割出来了。所指导航方式, 就是由A-B-C-D循环方式, 直到E设定断面完成的一个处理过程。为避免在截割过程中出现欠挖、超挖的现象, 设定1个矩形断面O1-O2-O3-O4轨迹, 截割头再沿设定轨迹截割1次完成后, 符合标准的截割断面完成了。掘进机在自动化截割的截割轨迹图, 见图1:
2.2 掘进机自动纠偏技术探索
掘进机自动纠偏就是掘进机相对巷道中心在割煤、落煤、装煤、运煤后进行下一自动截割前依靠掘进机左右履带行走速度的变化及向左、向右调整掘进机中心线与巷道中心线的相对位置, 控制掘进机沿着巷道中心线前进。目前的巷道采用人工操作截割断面, 采用激光指向仪指向中线, 司机观察激光指向确定截割方向及尺寸, 无法发挥出掘进设备的最大效率。掘进机定位是建立掘进机自身位置坐标, 确定掘进方向及对方向进行控制, 自动跟紧激光指向方向进行自动定位。掘进机定位后, 将沿着设定轨迹截割。研究采用二维倾角传感器和三维电子罗盘相匹配的定位技术, 通过二维倾角传感器检测掘进方向相对设定水平面形成的俯仰角, 机身与水平面的倾斜角, 然后再与三维电子罗盘仪的N (地磁北极) 极形成的方位夹角, 通过对方向的角度测量及检测, 建立起掘进机的位置三维坐标, 如图2所示。
掘进机是在三维参数确定后施工的, 而在截割施工过程中, 三维参数理想, 由于掘进机的震荡等, 需在一个循环结束后, 对三维参数进行适当调整。
掘进机身侧倾方向上∠1大于0°时, 截割断面顺时进行调整;掘进行进方向上∠2小于初始设定时, 掘进断面向上调整;掘进行进方向上∠3大于初始设定时, 截割断面向左调整;当3个角度的位移量都发生变化时, 应重新调整截割断面, 保证截割断面符合要求, 根据传感器位移量的变化, 校准切割头。直线AB是掘进机参照激光的设定方向掘进施工, 直线ON是地磁北极, 设定掘进施工方向与地磁北极的夹角是∠AON, 截割1个循环进度后, 掘进机受自身截割影响 (震动、侧滑等) , 使机身与设定的截割方向发生偏差, 此时掘进施工方向变成直线CD, 掘进施工方向与地磁北极的夹角变成∠CON, 从而与实际掘进走向发生偏差角∠AOC。掘进机需重新对二维倾角传感器和三维电子罗盘仪得出检测三维参数信息, 确定截割头在下一个截割断面信息的原点中心与初始截割断面的原点中心在激光指向的平行线上, 巷道原点中心点连线总是在激光方向的平行线上, 则掘进出来的巷道就是符合施工标准的。
3 结语
掘进机检测系统的组成还需不断更新, 提高技术适应不同煤层硬度和复杂情况下的地质条件掘进, 通过各传感器的检测, 准确调整掘进机位置, 掘进机自动纠偏保证掘进方向和巷道成型符合要求。煤矸识别在实际应用过程中存在的问题较多, 需不断尝试煤矸识别新技术, 准确识别煤矸, 使掘进机朝着自动化和智能化水平不断发展。
掘进机自动化 篇2
传统上, 掘进机行走作业主要利用手动方式进行纠偏操作业, 掘进机操作人员均是通过手动调节掘进机左右行走液压马达的方式实现纠偏作业, 将掘进机的位姿调整为预定值。手动纠偏作业存在着劳动强度大、作业环境恶劣以及地质构造差异与作业人员技术水平不同导致的巷道欠挖和超挖等弊端。而自动纠偏技术能够让操作人员实现对掘进机纠偏作业的远程操作, 不需要在进入到工作环境恶劣的第一线;同时, 借助于计算机的高速逻辑处理能力, 掘进机的工作效率也获得了大幅度的提升, 防止了因为地质构造问题、操作人员水平因素造成的巷道成型不规范的问题。
2 悬臂式掘进机自动纠偏技术及其实现方法
2.1 悬臂式掘进机位姿信息的检测
掘进机不论是行走过程中还是在断面截割作业过程中, 掘进机的中心轴线均不可避免地与巷道中心线出现相互偏离的问题。悬臂式掘进机的位姿信息除了包括三维空间坐标 (x, y, z) 之外, 还应该包括掘进机的位姿信息 (ɑ, β, γ, a) 。其中, ɑ表示悬臂式掘进机的方位角、β表示悬臂式掘进机的俯仰角、γ表示悬臂式掘进机的横滚角、a表示中心偏距 (即悬臂式掘进机机身中心点和巷道设计中心线的偏距) 。
悬臂式掘进机的工作环境的照明严重不足、作业环境十分恶劣, 如果想要对掘进机的位姿信息进行精确地检测, 则具有很大的难度。并且在航道内部, 不能够使用GPS (全球定位系统) , 并作业环境的粉尘数量巨大, 无法直接运用视觉导航设备, 所以激光指向仪便成为了掘进机进行掘进作业方向指引的重要的设备。有效的测量方案是自动化掘进作业的关键保障, 利用该测量方案测算获得掘进机的位姿信息 (ɑ, β, γ, a) 。掘进机在采用激光指向仪时常常根据激光指向仪的指定方向沿着顶板或者底板向前进, 所以, 悬臂式掘进机的自动化纠偏不需要控制其三围空间信息坐标 (x, y, z) 。由此我们知道, 悬臂式掘进机的位姿信息是进行自动化纠偏的重点和难点。由于掘进机的位姿检测直接决定了自动化纠偏效果和巷道成型质量, 为了获得更加精确的位姿参数, 本文以综合采用超声波测距传感器 (三个) 和双轴倾角传感器 (一个) 并结合相应的解算方法来获取掘进机的位姿信息。其中, 超声波测距传感器负责探测悬臂式掘进机的方位角ɑ和中心偏距a;双轴倾角传感器负责探测悬臂式掘进机的俯仰角β以及悬臂式掘进机的横滚角γ;而后结合解算获得相应信息。获得所需信息之后, 便能够掌握参考位姿与实际位姿之间的偏差问题, 而后利用纠偏控制器依照特定的控制策略, 将其转变成为悬臂式掘进机能够识别的电磁阀开关信息与控制脉冲信号, 最终实现掘进机位姿的自动化纠正。
巷道两边的距离特点以及悬臂式掘进机的结构特点均告诉我们, 综合采用超声波测距传感器 (三个) 和双轴倾角传感器 (一个) 能够准确地获得掘进机的位姿参数, 该参数成为了掘进机实现自动化纠偏的关键参考。但是同样需要指出的是, 上述控制方法要求航道的两帮具有良好的平整度, 不能够出现超挖或者欠挖的问题, 所以, 在实际的使用过程中需要注意该问题。
2.2 悬臂式掘进机行走结构分析
对于悬臂式掘进机而言, 行走系统是一个非常关键的部件, 它负责为掘进机整体的前进、后退、拐弯以及钻进截割的进给运动等多种运动形式。待获取掘进机的位姿参数之后, 掘进机行走系统便可以根据特定的纠偏指令执行运动。分析掘进机的行走系统有利于我们准确控制掘进机依照参考轨迹运动。
3 悬臂式掘进机纠偏控制策略的实现途径
悬臂式掘进机的纠偏控制策略通过机载工业控制计算机和PLC实现, PLC产生的控制指令经PLVC、电液比例阀控制行走部的左右液压马达, 驱动掘进机的驱动轮实现纠偏功能。纠偏控制策略主要由掘进机纠偏程序、角度范围调整子程序、掘进机中心调整子程序、方位角纠偏子程序等实现。
PLC采集超声波测距仪测量值计算掘进机位姿信息中的方位角ɑ和中心偏距a, 依据不同方位角ɑ和中心偏距a, 采用不同的控制策略。当掘进机方位角a超过该限定值时, 如果调用掘进机中心调整子程序, 则掘进机可能碰撞巷道煤帮, 因此需要首先把掘进的方位角调整到一定的范围之内。当掘进机方位角调整到限定值内后, 依据中心偏距的不同情况调用不同子程序完成掘进机的纠偏。当巷道地质条件较为复杂时, 调整掘进机机身中心轴线与巷道中心线重合将会出现较大的难度, 且用时较长, 影响掘进速度, 因此在设计程序时允许有一定的距离偏差。当掘进出现距离偏差时, 根据机身与巷道的相对位置情况, 可以分为机身位于巷道中心左侧左偏、机身位于巷道中心左侧右偏、机身位于巷道中心线右侧右偏、机身位于巷道中心线右侧左偏。
4 结束语
掘进机采用自动纠偏技术具有三点重要意义:首先, 自动化纠偏技术实现了操作人员对掘进机的远程化操控, 有利于实现少人/无人化的掘进机操作模式;其次, 自动化纠偏技术对于提高我国煤炭掘进机的自动化水平具有重要意义;最后, 自动化纠偏技术能够有效改善工人的工作环境, 降低工人的劳动强度, 特别在煤与瓦斯突出的矿井, 该技术的应用对安全快速高效掘进具有重要意义。
摘要：悬臂式掘进机的自动纠偏技术有效解决了传统手动纠偏方式存在的劳动强度大、作业环境恶劣以及地质构造差异与作业人员技术水平不同导致的巷道欠挖和超挖问题。在本文中, 笔者就悬臂式掘进机自动纠偏技术的相关问题进行了分析和探讨。
关键词：悬臂式掘进机,自动纠偏技术,位姿检测,行走系统
参考文献
[1]刘俊, 付敬奇, 董新平.数据融合在目标识别中的应用[J].传感器技术, 2001, (06) .
[2]张立新, 扬建宁.油缸活塞杆的位置测量[J].传感器技术, 2003, (02) .
掘进机自动化 篇3
1 我国煤炭工业发展现状简述
长期以来, 煤炭工业一直是社会发展中的支柱产业, 在21世纪的今天, 我国煤矿行业的自动化水平已经显著提高, 机电自动化技术的应用, 对煤矿工业的安全、高效发展具有很大的促进作用, 随着我国科学技术的不断发展, 电子信息技术、机电自动化技术、通信技术、微电子技术等先进技术在煤炭工业中的应用越来越广泛, 大大提高了我国煤炭生产的效率, 促进了我国煤炭企业的发展, 就目前而言, 我国煤炭工业已经具备世界先进水平, 不仅日产量可以达到万吨, 同时还可以装备千万吨级煤矿。但是也要认识到, 煤矿工业经历漫长的发展历程, 虽然不断进步, 可是还存在一些问题, 例如采掘工作面的发展仍然落后、煤矿行业不安全因素较多等等, 这些问题在一定程度上制约了煤炭生产, 因此在未来的发展中, 一定要进一步解决这些问题。
2 煤矿掘进工作面自动化系统
笔者认为, 在研究煤矿掘进工作面自动化系统时, 应将掘进煤巷看作成一个整体, 并将其作为控制对象, 把煤壁设置为输入, 将煤巷和原煤设置为输出, 在实际的研究过程中, 会出现许多信号, 例如一些可进行测量但不可控制的信号、不可测量又不可控制的信号、可测量并且可控制的信号等等, 之所以会产生这些信号, 与许多工序有关, 如材料运输、排水、地质勘探、顶板管理等, 图1所示的是煤巷掘进工作面系统图, 根据图1可以更加清晰地了解煤巷掘进工作面系统。
3 煤矿掘进工作面自动化系统的范围
由于我国煤层具有多样性和复杂性, 而且煤层的厚度会发生一定的变化, 其变化范围为零点几米到几十米, 因此煤矿巷道比较适合采用单巷掘进的方式, 在煤矿巷道掘进过程中, 煤矿综合机械化掘进包括多种设备, 如转载机、可伸缩式带式输送机、悬臂式掘进机以及单体锚杆钻机, 其中最为重要的设备为悬臂式掘进机, 它可以应用于掘进工作面的割煤、采煤以及装煤等工作中, 因此可以将悬臂式掘进机作为开展煤矿掘进工作面自动化的重要设备, 增加掘进工作面的适用性, 另外煤矿掘进工作容易受到环境的影响, 因此在完成煤矿掘进工作后, 应采用锚杆和锚网联合支护的方式, 如果采用液压支护方式, 会产生掘进与支护作业不配套现象, 通过对煤矿掘进工作系统的分析, 可以将其分为一定的控制系统, 从而确定煤矿掘进工作面自动化系统的范围, 图2所示的即为煤巷掘进工作面自动化范围示意图。
4 掘进面自动化控制系统模型及关键技术
通过对煤巷掘进工作面自动化范围的分析, 可以发现原煤和材料运输的连续化、安全保障系统的自动化对煤巷掘进工作面系统的关键环节, 因此要保证掘进工作面自动控制系统的实现, 就要使每个环节在功能、结构以及工艺上互相配合、相互促进, 从而促进整个系统高效平稳的运行, 掘进工作面自动控制系统模型如图3所示。
另一方面, 要实现掘进工作面自动控制系统还需要解决一些技术问题, 本文在此列举以下6个方面: (1) 掘锚机组自动化技术。由于煤巷掘进工作环境恶劣, 而且地质条件复杂, 因此很容易对煤巷掘进工作产生不利影响。笔者认为, 在这种情况下, 为了做好掘进和支护两项工艺, 实现掘进工作面自动化, 可以应用掘锚机组自动化技术, 一方面可以提高掘进割煤的速度, 另一方可以对顶板以及煤帮进行支护; (2) 掘进机自动化技术。掘进机自动控制主要包括三种, 即自动截割、自主定位以及自动纠偏, 为了保证煤矿掘进工作面的稳定生产, 可以利用电子、液压等技术, 实现掘进工作面自动化; (3) 锚杆支护自动化技术。受到工作面产量、瓦斯涌出量以及重型设备的影响, 因此必须要加强对回采巷道的维护, 加大巷道断面, 但是大断面煤巷会影响巷道的稳定性, 因此为解决上述问题, 应主要采取两方面措施:一方面应加强对大断面煤巷围岩原理进行认真仔细的研究, 努力实现锚杆支护自动化, 另一方面将锚杆钻臂自动控制与掘进机构结合起来, 这样不仅能够实现锚杆锚索永久支护自动化, 同时还可以实现快速临时支护自动化; (4) 运输自动化技术。目前, 我国煤巷掘进工作面原煤运输过程中, 通常采用皮带集中控制系统, 未来想要提高原煤运输的自动化水平, 可以改造运输胶带, 减少支护材料的消耗; (5) 安全保障系统监控技术。对于煤矿企业来说, 安全保障工作是重中之重, 笔者认为, 想要做好煤巷掘进安全保障工作, 需要从两方面入手, 即环境因素和机械设备, 加强对环境因素的监控, 如粉尘、瓦斯、冒顶以及煤尘等, 同时还应利用机械设备对掘进工作面进行监控; (6) 掘进工作面信息传输技术。考虑到矿井下的环境较为恶劣, 并且掘进工作面自动控制系统需要具备精准、高效、实时的信息传输功能, 因此笔者认为, 煤矿掘进工作面的机电自动化系统想要实现信息传递, 首先应合理选择网关, 例如可以选用支持PPPo E的网关, 之后利用实时环网交换机或其他设备, 将需要传递的信息接入以太环网, 进而高效传输掘进面的各种信息。
5 总结
改革开放之后, 我国的煤矿事业蓬勃发展, 我国煤炭行业的发展水平也有了明显提升, 就目前来看, 尽管各国都在研发新能源, 但是未来很长时间内煤炭仍是社会发展中不可缺少的能源, 基于这种形势, 必须要进一步提高煤炭行业的发展水平, 将各种先进技术应用于煤炭行业中, 以确保我国煤炭事业的良好发展。本文在此分析了机电自动化技术在煤矿掘进工作面中的应用, 希望文中内容可以为相关工作开辟思路, 相信在未来的发展中, 我国的煤矿工业会继续进步, 机电自动化技术也会不断完善, 眼下如何将机电自动化技术更好的应用于煤矿掘进面, 还需要我们继续探索。
参考文献
[1]伍小杰, 等.煤矿掘进工作面自动化技术研究[J].煤矿机电, 2010, 02:41-43.
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[3]张朋, 等.风电闭锁控制技术在东滩煤矿掘进工作面的应用[J].煤炭工程, 2011, 08:64-65.
[4]李胜男, 等.煤矿掘进工作面风量计算方法及其应用[J].内蒙古煤炭经济, 2014, 11:92+125.
[5]张国建.掘进工作面智能通风控制系统的设计与应用[J].煤炭科学技术, 2008, 05:76-79.
掘进机自动化 篇4
在煤矿巷道掘进过程中, 掘进设备不间断工作, 为减缓磨损延长整机使用寿命, 需要频繁地对掘进设备的重载联接销轴进行润滑养护。以往掘进设备多采用人工定期向润滑点加注润滑剂, 此方法虽具有一定的灵活性, 但是有工作效率低, 劳动强度较大, 井下作业危险性高等弊端。
为解决以上问题, 液控自动集中润滑系统在设备运转时能定时、定点、定量地给予指定点的润滑, 使设备的磨损降至最低, 大大减少润滑剂的使用量, 在节能环保的同时降低设备的损耗和保养维修时间, 解决了传统人工润滑的不足之处。
2. 系统组成
液控自动集中润滑系统, 与传统润滑系统不同, 油源是通过电液比例阀提供液压动力, 带动马达泵单元, 由液驱润滑泵单元、递进式分配器、液压管件构成。
每个润滑泵单元经安全阀作为一路主润滑管路, 将润滑脂打到机身布置的递进式分配器, 再经液压管件引致设备润滑点。通过程序编制控制润滑泵单元的启停, 达到润滑目的, 如图1所示。
3. 工作原理
该掘进机液控自动集中润滑系统, 控制油源通过电液比例控制阀, 进入液压马达来驱动润滑泵单元, 通过润滑泵单元、分配器、液压管件把掘进机上分布的数十个润滑点连成一个集中润滑系统, 阻断外界水、煤粉、杂质混入。为实现自动控制, 可以通过电控程序控制电液比例控制阀上的电磁铁, 控制阀芯开度的大小, 通过限制润滑马达泵的输出转数控制润滑脂的输出量。这样就可以根据现场实际情况设定润滑脂注入时间, 间隔长短, 注入量的大小。实现掘进机运行过程中定时、定量、间歇式地对各润滑点连续性供油, 无需人为控制干预, 确保润滑点良好的润滑状态。
集中润滑系统由润滑泵单元提供带有一定压力的润滑脂进入递进式分配器, 每个泵单元上装有压力表和安全阀, 递进式分配器是一种将润滑油量进行计量, 并按一定顺序运行的元件。可以将一定量的润滑脂按顺序从出油口依次逐个注出至润滑点。利用液压递进式动作, 在一个阀体内各个工作柱塞副, 在紧跟着前一工作柱塞副的循环动作之后, 各自工作完成自己的柱塞行程, 把定量的润滑剂输送到润滑点。只要有压力的润滑剂供给分配器, 工作柱塞副就会以递进式的方式连续运行, 并以恒定的排量注油。
4. 液控自动集中润滑系统优点
(1) 利用电液比例阀, 实现设备运转中实现定时、定点、定量的给予润滑。通过润滑泵单元多点输出, 只经过一级分配直接到达设备润滑点, 构建一个自封闭的润滑系统。
(2) 选用液压马达驱动润滑泵单元, 增大了润滑剂输出压力。同时, 为每一路润滑剂输出口配置压力表, 用于观察输出压力是否正常, 判断管路是否阻塞。
(3) 选用极压锂基润滑脂, 更加适合掘进机的井下工况。克服了以往润滑脂润滑效果不好, 容易出现干摩擦的情况。增强了对恶劣环境下的适应性。
本套的掘进机集中润滑系统已在我公司生产的EBZ200、EBZ260、全断面高效掘进机等重型掘进机上得到应用, 经过长时间的井下作业考验, 取得可喜成绩, 用户反馈润滑效果良好。
5. 前景展望
液控自动集中润滑系统解决了传统人工润滑的不足之处, 在机械运转时1-润滑泵体;2-压力表;3-润滑泵单元;4-马达泵驱动系统;5-电液比例阀;6-能自动定时、定点、定量地给予设备润滑, 使设备的磨损降至最低, 大大减少润滑脂的使用量, 在节能环保的同时, 降低设备的损耗和保养维修时间, 达到提高运营收益的最佳效果。同时, 集中润滑的推广使用, 不但降低了工人的劳动强度, 还避免了工人在井下空顶区作业, 减少了事故的发生, 具有广泛的应用前景。
摘要：本文介绍了掘进机液控自动集中润滑系统, 分析了各部分构成和原理, 对比了传统润滑方式的优缺点, 展望了其发展方向。
关键词：液控,自动集中润滑,掘进机
参考文献
[1]雷天觉.新编液压工程手册 (下册) [M].北京:北京理工大学出版社, 2005.