基于采煤機(jī)搖臂銷軸多應(yīng)變數(shù)據(jù)融合的煤巖識(shí)別方法

田立勇，戴渤鴻，王啟銘

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000; 2.長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北 保定 071000)

采煤工作中煤巖界面識(shí)別是自動(dòng)化安全生產(chǎn)過程的重要一步，是采煤機(jī)調(diào)節(jié)截割高度的依據(jù)。如今，采煤機(jī)滾筒的高度調(diào)節(jié)還主要靠人工肉眼觀察控制，憑借切割噪聲判斷是割煤還是割巖，很難達(dá)到理想的截割效果，從而導(dǎo)致安全隱患的產(chǎn)生和經(jīng)濟(jì)效益的下降[1]。所以，煤巖界面識(shí)別技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綜采工作面智能化、無(wú)人化開采的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。采煤機(jī)通過煤巖界面的自動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)調(diào)節(jié)采煤高度，既實(shí)現(xiàn)了高效率的割煤工作，也延長(zhǎng)了采煤機(jī)的使用壽命，提高了工人安全。因此，研究精準(zhǔn)的煤巖界面識(shí)別技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦自動(dòng)化安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)具有重大意義[3]。

目前，已有多種方法對(duì)此展開研究，包括人工 γ 射線法、自然 γ 射線法、聲學(xué)探測(cè)法、圖像監(jiān)測(cè)法、雷達(dá)探測(cè)法、振動(dòng)檢測(cè)法和記憶截割法等[4-5]。但是這些方法對(duì)煤巖分布、截割工作環(huán)境等都有極高的要求[6-7]，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，難以精準(zhǔn)的識(shí)別出煤巖分界面。

針對(duì)煤巖識(shí)別技術(shù)的現(xiàn)狀，可以利用煤巖介質(zhì)在硬度上的差異性進(jìn)行界面識(shí)別。當(dāng)截割硬度較大的介質(zhì)時(shí)，截割阻力較大，部件受力也較大;反之，截割硬度較小的介質(zhì)時(shí)，截割阻力相對(duì)較小，部件受力也較小。與其他方法相比，根據(jù)受力情況判別截割的是煤或者巖更直觀，更方便。但此種方法也存在局限性:如文獻(xiàn)[1]結(jié)論的相關(guān)闡述:采用單一傳感器監(jiān)測(cè)對(duì)硬度差別大的煤巖界面進(jìn)行識(shí)別具有很好的識(shí)別效果，對(duì)煤巖硬度差別不大的煤巖界面識(shí)別存在一定誤差。因此，為了解決這一問題，筆者提出一種多應(yīng)變數(shù)據(jù)融合的方法實(shí)現(xiàn)煤巖界面的識(shí)別，通過對(duì)銷軸傳感器進(jìn)行等效強(qiáng)度處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)搖臂銷軸應(yīng)變的實(shí)時(shí)測(cè)試，以實(shí)時(shí)應(yīng)變值為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，將融合后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 搖臂銷軸力學(xué)模型

以本文進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的MG500/1130WD型采煤機(jī)為例，搖臂銷軸是連接搖臂與連接架的重要部分。圖1為搖臂銷軸與連接架的安裝位置示意圖。

圖1 搖臂銷軸與連接架的安裝位置示意Fig.1 Schematic diagram of installation position of rocker pin shaft and connecting frame

在截割工作中，滾筒的負(fù)載經(jīng)過殼體作用在搖臂銷軸上。因此，為研究截割煤巖時(shí)銷軸的載荷，將搖臂殼體視為剛性體，以滾筒負(fù)載和截割部自重作為所受載荷。所以，銷軸對(duì)搖臂殼體8個(gè)鉸耳有支反力作用，由于約束副過多不便于分析計(jì)算，故將一個(gè)銷軸上的2個(gè)鉸耳作為一個(gè)受力系統(tǒng)進(jìn)行處理。圖2為搖臂受力圖。其中，滾筒承受三向載荷為Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，截煤區(qū)上下銷軸受力分別為Fx1，F(xiàn)y1，F(xiàn)z1;Fx3，F(xiàn)y3，F(xiàn)z3;采空區(qū)上下銷軸受力分別Fx2，F(xiàn)y2，F(xiàn)z2;Fx4，F(xiàn)y4，F(xiàn)z4;各個(gè)受力點(diǎn)尺寸分別為l1～l6;搖臂與水平方向夾角為α;以采煤側(cè)上銷軸為坐標(biāo)軸O點(diǎn)，列出搖臂受力平衡方程和力矩平衡方程如下:

(1)

(2)

式中，G為搖臂與滾筒重力;n，i，X為滾筒的三向扭矩。

圖2 搖臂受力Fig.2 Force diagram of rocker arm

2 多數(shù)據(jù)加權(quán)融合算法理論模型

2.1 加權(quán)融合算法原理

加權(quán)融合算法是將多個(gè)不同位置傳感器所測(cè)得的同一參數(shù)的數(shù)據(jù)通過分配加權(quán)系數(shù)的方法融合成一個(gè)數(shù)據(jù)[8]。 運(yùn)用這種方法處理數(shù)據(jù)，能夠減少設(shè)備自身以及環(huán)境因素引起的振動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響;即使工作過程中某一個(gè)傳感器出現(xiàn)故障，對(duì)最后結(jié)果的影響也不會(huì)太大，這是彌補(bǔ)單一傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性低、誤差大的一種方法。這種方法只需要根據(jù)傳感器的測(cè)量方差和實(shí)時(shí)測(cè)量值，就可估計(jì)出融合數(shù)據(jù)的值[9]。圖3為加權(quán)融合模型結(jié)構(gòu)圖。

圖3 加權(quán)融合模型結(jié)構(gòu)Fig.3 Weighted fusion model structure

2.2 加權(quán)融合算法數(shù)學(xué)模型

首先,建立加權(quán)融合值X的方程:

(3)

式中，αi為第i個(gè)傳感器數(shù)據(jù)分配的加權(quán)系數(shù)。

為保證融合值是無(wú)偏的，須滿足:

(4)

其次，建立加權(quán)融合理論的傳感器數(shù)據(jù)方差方程

(5)

(6)

式中，λ為拉格朗日乘子。

建立求解方程組:

?

所以，求解得到加權(quán)系數(shù)和均方差表達(dá)式:

(7)

式中，ej為第j個(gè)傳感器的均方差。

(8)

假設(shè)n個(gè)傳感器精度相同，在理想情況下，每個(gè)傳感器的方差一樣。即:e1=e2=…=en=e。由式(8)可知，

(9)

式中，e為各個(gè)傳感器均方差相等時(shí)的均方差值。

所以，融合后的方差變?yōu)樵瓉?lái)的1/n，即精度提高了n倍。如果傳感器的精度不同，那么式(8)可寫成

(10)

式中，emin為測(cè)量方差最小的傳感器的均方差。

式(7)表明:加權(quán)系數(shù)的值只由測(cè)量方差決定，傳感器測(cè)量方差的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到融合后的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。式(10)表明:多個(gè)傳感器進(jìn)行加權(quán)融合后的方差小于每個(gè)傳感器的方差。因此，經(jīng)過加權(quán)融合方法處理的數(shù)據(jù)比單個(gè)傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)小、精度高、穩(wěn)定，避免了由單一傳感器測(cè)量所引起的結(jié)論不準(zhǔn)確。

2.3 多傳感器測(cè)量中的方差估計(jì)

設(shè)n個(gè)傳感器測(cè)量均值為

(11)

(j=1,2,…,n)

(12)

實(shí)際上，由傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)真實(shí)值無(wú)法得到。這里用數(shù)據(jù)真值的無(wú)偏估計(jì)x代替。有

(13)

(14)

(15)

由式(12)，(13)可得第j個(gè)傳感器的方差為

(16)

用n個(gè)傳感器對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行N次測(cè)量，第j個(gè)傳感器的第i次測(cè)量值記為Wij，方差記為eij。

(17)

根據(jù)式(16)可得第j個(gè)傳感器的方差估計(jì)為

(18)

綜上，根據(jù)式(18)估計(jì)出每個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)方差，然后由式(7)確定傳感器的加權(quán)系數(shù)，最后由式(3)計(jì)算此刻的加權(quán)融合值。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文的煤巖識(shí)別實(shí)驗(yàn)是在中煤集團(tuán)張家口煤礦采掘機(jī)械裝備研發(fā)實(shí)驗(yàn)中心的大型煤礦機(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的，采煤機(jī)工作面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。模擬工作面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供測(cè)試所需的不同硬度系數(shù)的巖壁和煤壁。

圖4 采煤機(jī)工作面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Working face experimental platform of shearer

采煤機(jī)在試驗(yàn)截割的過程中，截割煤巖壁的長(zhǎng)寬高分別為70，5和4 m，截割深度為60 mm;液壓支架追機(jī)推移;牽引速度1 m/min;滾筒轉(zhuǎn)速28.5 r/min。為解決對(duì)煤巖硬度差別不大的煤巖層進(jìn)行界面識(shí)別的問題，實(shí)驗(yàn)測(cè)試選取煤巖混合介質(zhì)的煤巖壁，其中煤層部分的普氏硬度系數(shù)為f=4，巖層部分的普氏硬度系數(shù)為f=6，兩種介質(zhì)連接在一起。根據(jù)上位機(jī)顯示器的數(shù)據(jù)圖像曲線，觀察采煤機(jī)在煤巖界面識(shí)別和跟蹤響應(yīng)速度上的準(zhǔn)確性，并對(duì)采煤機(jī)的截割狀態(tài)進(jìn)行分析。

銷軸部件受力由與銷軸等效強(qiáng)度的銷軸傳感器測(cè)得。實(shí)驗(yàn)中，傳感器經(jīng)連接線纜將檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線采集模塊,再經(jīng)無(wú)線通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸至顯示屏幕，將銷軸的受力情況存儲(chǔ)與顯示。數(shù)據(jù)采集、傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集、傳輸結(jié)構(gòu)Fig.5 Data acquisition,transmission structure diagram

銷軸傳感器布置在連接架與搖臂鉸接的位置，數(shù)量為4個(gè)，應(yīng)變數(shù)據(jù)由銷軸傳感器的內(nèi)置應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，傳感器通過軸向引出線與應(yīng)變采集模塊連接起來(lái)。圖6為銷軸傳感器安裝圖。

圖6 銷軸傳感器安裝Fig.6 Field installation diagram of pin shaft sensor

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)，可以得到4個(gè)銷軸傳感器所采集的應(yīng)變變化曲線。對(duì)銷軸傳感器進(jìn)行編號(hào)，采空側(cè)上銷軸為1號(hào)，下銷軸為2號(hào);煤壁側(cè)上銷軸為3號(hào)，下銷軸為4號(hào)。這里，以x方向的受力情況進(jìn)行分析。傳感器設(shè)備類型選取的是SG403/SG404，其電橋靈敏度為0.624 35 V/με。由于樣本點(diǎn)數(shù)過多，所以選取圖像中的有效部分進(jìn)行分析，如圖7所示。縱坐標(biāo)為應(yīng)變值，10-6，橫坐標(biāo)為時(shí)間，s。測(cè)試應(yīng)變量極值見表1。

圖7 4個(gè)銷軸傳感器應(yīng)變曲線Fig.7 Strain curves of the four pin sensor

根據(jù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測(cè)試，計(jì)算出擬合標(biāo)定公式

F=79.052 4k1-0.099 7

(19)

表1 截割煤巖應(yīng)變量極值
Table 1 Cut coal rock variable extreme value

10-6

表2 截割煤巖標(biāo)定數(shù)據(jù)
Table 2 Cut coal and rock calibrationkN

傳感器編號(hào)割巖最大受力割巖最小受力割煤最大受力割煤最小受力124.61223.32823.82222.242224.61123.16424.01922.440326.15824.61125.33523.822425.82924.34825.13823.328

從表1，2中可以看出，隨著介質(zhì)硬度的增大，銷軸傳感器測(cè)量的應(yīng)變和標(biāo)定受力值也隨之增大，其中，煤壁側(cè)銷軸的受力值明顯大于采空側(cè)銷軸的受力值。40～70 s截割煤時(shí)，煤壁側(cè)銷軸應(yīng)變曲線幅值區(qū)間為712×10-6～773×10-6，曲線幅值波動(dòng)較大;采空側(cè)銷軸應(yīng)變幅值區(qū)間為679×10-6～723×10-6，曲線波動(dòng)相對(duì)較小;70～80 s采煤機(jī)對(duì)煤巖交界面進(jìn)行截割，曲線應(yīng)變值突變，波動(dòng)明顯;80～120 s時(shí)截割巖壁，與截割煤壁相比，應(yīng)變值明顯增大，但與截煤應(yīng)變值有重合部分;所以，在實(shí)際生產(chǎn)工作的過程中很難根據(jù)應(yīng)變與受力變化情況精準(zhǔn)的判別出截割的是煤或巖。導(dǎo)致產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有2個(gè);① 受傳感器自身精度、采煤機(jī)自身振動(dòng)以及井下環(huán)境等其它因素影響導(dǎo)致應(yīng)變波動(dòng)較大;② 實(shí)驗(yàn)過程中截割的煤壁和巖壁硬度差別不大，兩者的力學(xué)特性相近，差異性不明顯，導(dǎo)致在截割煤和巖的過程中測(cè)量的數(shù)據(jù)有重疊的部分。

圖8為4個(gè)傳感器測(cè)量的應(yīng)變數(shù)據(jù)通過加權(quán)融合方法處理后所繪出的圖像，表3為截割煤巖融合后應(yīng)變量極值表。

依據(jù)式(7)和(18)計(jì)算出融合過程動(dòng)態(tài)權(quán)重。由于點(diǎn)數(shù)過多，以5 s時(shí)間為采樣間隔，選取40～120 s中17個(gè)點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行繪圖，動(dòng)態(tài)加權(quán)系數(shù)如圖9所示。

圖8 銷軸傳感器加權(quán)融合圖像Fig.8 Weighted fusion image of pin shaft sensor

表3 截割煤巖融合后應(yīng)變量極值Table 3 Extreme values of strain variables after cut-off coal-rock fusion

圖9 動(dòng)態(tài)加權(quán)系數(shù)Fig.9 Dynamic weighting coefficient

由圖9可知，融合過程中，1號(hào)銷軸的權(quán)重明顯大于其它3個(gè)銷軸所占的權(quán)重，說明1號(hào)數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，比較平穩(wěn);4號(hào)銷軸權(quán)重系數(shù)所占比重相對(duì)較小，說明了其波動(dòng)較大。

利用擬合公式(19)，計(jì)算出融合后對(duì)應(yīng)的應(yīng)變極值載荷，見表4。

表4 融合后標(biāo)定載荷數(shù)據(jù)
Table 4 Load calibration data after fusion

kN

由表2,4可知，經(jīng)過融合處理后，截割巖時(shí)銷軸的受力為24.766 ～ 25.467 kN;截割煤時(shí)銷軸的受力為23.493 ～ 24.348 kN;截割巖的受力值明顯大于截割煤的受力值，且割巖時(shí)的銷軸受力范圍與割煤時(shí)銷軸的受力范圍沒有重合部分。相比于融合之前，截割煤和巖時(shí)銷軸的受力差異更加明顯，可以依據(jù)截割工作時(shí)銷軸的受力值判斷出此時(shí)截割的是煤或巖。

因此，在不同煤礦地質(zhì)條件截割工作中，利用文中融合方法，根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律重新標(biāo)定割煤的期望值范圍;當(dāng)在期望值范圍以內(nèi)，可以認(rèn)為截割的是煤;一旦超出期望值范圍則認(rèn)為截割的是巖;此時(shí)，采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)滾筒的高度，避免與過多的巖石碰觸，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自適應(yīng)行走。

5 結(jié) 論

(1)加權(quán)融合算法中的權(quán)重系數(shù)是由測(cè)量數(shù)據(jù)的方差決定的，而數(shù)據(jù)方差是由傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行的實(shí)時(shí)估計(jì)，這實(shí)現(xiàn)了權(quán)重的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配，保證了融合數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性精度。

(2)利用采煤機(jī)上改裝的銷軸傳感器，通過無(wú)線通訊方式對(duì)形成的傳感器系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集和傳輸，使實(shí)驗(yàn)操作更加靈活和方便，也為銷軸進(jìn)行故障診斷、壽命分析等研究提供了可行性方案和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

(3)基于加權(quán)融合理論的煤巖識(shí)別方法相比于使用單一傳感器方法進(jìn)行煤巖識(shí)別適應(yīng)性更廣，對(duì)于煤巖硬度差別不大的煤巖層也具有很好的追蹤識(shí)別能力，保證了采煤機(jī)在工作面的順利推進(jìn)。